سازوکار تشکیل لایه‌های مختلف در غشای نامتقارن تخت پلی(وینیلیدن فلوئورید) PVDF

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

1 اصفهان، دانشگاه صنعتی اصفهان، دانشکده مهندسی نساجی، کد پستی 8415683111

2 سبزوار، دانشگاه حکیم سبزواری، دانشکده مهندسی نفت و پتروشیمی، گروه مهندسی پلیمر، کد پستی 9617976487

10.22063/jipst.2026.35763.2419

چکیده

فرضیه: شکل‌شناسی غشاهای تخت به‌عنوان یکی از عوامل تعیین‌کننده، نقشی اساسی در مشخصه‌های عملکردی آن‌ها از جمله تراوایی، گزینش‌پذیری و استحکام مکانیکی ایفا می‌کند. تنظیم دقیق ساختار سطح و مقدار تخلخل غشا، امکان بهینه‌سازی فرایندهای جداسازی را فراهم ساخته و بهبود قابل‌توجهی در بازده و کارایی آن‌ها در کاربردهای صنعتی ایجاد می‌کند. به‌طور خاص، در صنعت آب و فاضلاب، کنترل شکل‌شناسی غشا موجب ارتقای مقاومت در برابر پدیده گرفتگی و افزایش طول عمر عملیاتی غشا می‌شود.
روش‌ها: در این پژوهش، غشای تخت نامتقارن پلی(وینیلیدن فلوئورید) (PVDF) به روش ریخته‌گری‌تر تهیه شد. به‌منظور تحلیل شکل‌شناسی حاصل، بررسی جامع سینتیکی و ترمودینامیکی محلول‌های پلیمری انجام شد تا سازوکارهای مؤثر بر شکل‌گیری لایه‌های مختلف در ساختار غشای نامتقارن PVDF شناسایی و تبیین شود.
یافته‌ها: بررسی تصاویر میکروسکوپی الکترونی پویشی (FESEM) نشان دا، سطح بالایی (سطح فعال)، سطح مقطع و سطح زیرین غشا دارای شکل‌شناسی‌های کاملاً متمایز هستند. این تفاوت‌ها به رفتار ترمودینامیکی و مسیرهای انتقال جرم در لایه‌های مختلف فیلم ریخته‌گری‌شده وابسته است. نتایج آزمون ATR-FTIR نیز بیانگر آن بود که تغییرات در شکل‌شناسی‌ غشا به تغییر ریزساختار در سطح بالایی و زیرین غشا منجر شده و در نهایت موجب تقویت فاز β در زنجیره‌های پلیمری PVDF در سطح زیرین آن شده است. افزون بر این، نتایج آزمون زاویه تماس نشان داد، زاویه تماس قطره آب روی سطح بالایی غشا برابر با °90 و بر روی سطح زیرین آن معادل °101 است. در مجموع می‌توان نتیجه گرفت، شناخت دقیق سازوکارهای حاکم بر تشکیل لایه‌های مختلف در غشاهای تخت نامتقارن، امکان کنترل ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی سطح غشا را فراهم می‌آورد که بخشی از این هدف با انجام این پرژوهش محقق شده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Mechanism of Layer Formation in Asymmetric Flat-sheet Poly(vinylidene fluoride) (PVDF) Membranes

نویسندگان [English]

  • Mehrdad Asadolahi 1
  • Mohammad Mohammadalipour 2
1 Department of Textile Engineering, Isfahan University of Technology, Isfahan, Iran
2 Department of Polymer Engineering, Hakim Sabzevari University, Sabzevar, 96179-76487, Iran.
چکیده [English]

Hypothesis: The morphology of flat membranes, as one of the determining factors, plays a fundamental role in their functional properties, including permeability, selectivity, and mechanical strength. Precise adjustment of surface structure and membrane porosity enables optimization of separation processes and leads to significant improvements in efficiency and performance in industrial applications. Specifically, in the water and wastewater industry, controlling membrane morphology enhances fouling resistance and increases the operational lifetime of membranes.
Methods: In this study, an asymmetric poly(vinylidene fluoride) (PVDF) flat membrane was fabricated using the wet-casting method. To analyze the resulting morphology, a comprehensive kinetic and thermodynamic investigation of the polymer solutions was conducted to identify and explain the mechanisms governing the formation of the different layers in the asymmetric PVDF membrane structure.
Findings: Investigation of field-emission scanning electron microscopy (FESEM) images revealed that the upper surface (active layer), cross-section, and bottom surface of the membrane exhibited distinctly different morphologies. These differences were attributed to the thermodynamic behavior and mass transfer pathways within the various layers of the cast film. ATR-FTIR results further demonstrated that morphological changes in the membrane led to microstructural variations on the upper and bottom surfaces, ultimately strengthening the β-phase in the PVDF polymer chains at the bottom surface. In addition, contact angle measurements showed that the water contact angle on the upper surface was 90°, whereas on the bottom surface it was 101°. Overall, it can be concluded that a precise understanding of the mechanisms governing the formation of different layers in asymmetric flat membranes enables control over the physical and chemical properties of the membrane surface, a goal partially achieved in this study.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Thermodynamics
  • phase separation
  • asymmetric membrane
  • poly(vinylidene fluoride)
  • active layer