Hydrophilisation des membranes hydrophobes mésoporeuses en polyéthylène haute densité par ozonation

 

Article très technique sur l’utilisation de l’ozonation pour le traitement des membranes mésoporeuses hydrophobes. Étude réalisée par l’Académie de Russie.

Ce travail porte sur l’hydrophilisation de membranes mésoporeuses hydrophobes à base de polyéthylène haute densité (PEHD) par ozonation. Des membranes HDPE mésoporeuses ont été préparées par fissuration environnementale intercristallite. La porosité était de 50 % et les dimensions des pores étaient inférieures à 10 nm. L’angle de contact des membranes mésoporeuses passe de 96° (HDPE vierge) à 120° en raison de la formation d’un relief de surface nano/microscopique et d’une rugosité de surface améliorée. Les membranes sont imperméables à l’eau (le seuil d’entrée d’eau est de 250 bar).
Les membranes préparées ont été exposées à l’ozonation et ont montré une forte absorption d’ozone. Après ozonation, les membranes ont été étudiées par différentes méthodes physico-chimiques, dont DSC, AFM, spectroscopie FTIR, etc. Grâce à l’ozonation, la mouillabilité des membranes a été améliorée : leur angle de contact est passé de 120° à 60°, et ils sont devenus perméables à l’eau. Les micrographies AFM ont révélé un lissage marqué du relief de surface et les spectres FTIR ont indiqué le développement de nouvelles fonctionnalités dues à l’ozonolyse. Ces deux facteurs contribuent à l’hydrophilisation et à la perméabilité à l’eau des membranes HDPE ozonées.
Par conséquent, l’ozonation s’est avérée être un instrument facile et efficace pour la modification de surface des membranes HDPE mésoporeuses hydrophobes et peut également fournir leur stérilisation efficace à des fins biomédicales et le traitement de l’eau.
Pour conclure, la modification de surface des membranes polymères présente une direction importante pour la science moderne des polymères et des matériaux et offre de nouveaux avantages pour leur utilisation dans différentes applications, notamment à des fins biomédicales, le traitement de l’eau fine, l’optoélectronique, etc. Ce travail rapporte les résultats concernant la préparation de membranes polymères mésoporeuses à base sur des films HDPE commerciaux via le mécanisme de fissuration intercristallite environnementale et leur modification ultérieure par traitement à l’ozone dans le réacteur.
Cette approche permet la préparation des membranes HDPE mésoporeuses (épaisseur 17 µm) avec une porosité de 50 % et des dimensions de pores nanométriques (inférieures à 10 nm). Les membranes préparées sont caractérisées par une hydrophobicité accrue en raison du développement d’une surface micro/nanostructurée et d’une rugosité de surface améliorée (six fois supérieure à celle du HDPE vierge), et leurs angles de contact augmentent de 96° (HDPE vierge) à 120° .
Par conséquent, ces matériaux membranaires sont hautement hydrophobes et peuvent être utilisés dans la pratique comme matériaux lyophobes pour la séparation membranaire, la sorption sélective, comme matériaux imperméables et respirants perméables à l’air/aux gaz, etc. rugosité de surface, les membranes mésoporeuses sont imperméables à l’eau et aux solutions aqueuses (par exemple, les solutions aqueuses d’espèces biologiques), et leur seuil d’entrée d’eau est élevé et égal à 250 bar. L’ozonation des membranes MP hydrophobes dans le réacteur à écoulement s’accompagne d’une absorption d’ozone marquée, procède par oxydation de surface et en masse du HDPE et conduit à leur hydrophilisation marquée. Suite à l’ozonation, l’angle de contact avec l’eau des membranes MP diminue de 120° à 60°. Selon la classification adoptée, les matériaux résultants peuvent être qualifiés d’hydrophiles car leur angle de contact est inférieur à 90°.
L’amélioration de l’hydrophilie est apportée par une rugosité de surface réduite des membranes ozonées et la formation de nouvelles fonctionnalités à leur surface et dans la masse. Du fait de l’ozonation, les membranes ozonées deviennent perméables à l’eau, et le flux d’eau est égal à 2 L/(m l’angle de contact avec l’eau des membranes MP diminue de 120° à 60°. Selon la classification adoptée, les matériaux résultants peuvent être qualifiés d’hydrophiles car leur angle de contact est inférieur à 90°. L’amélioration de l’hydrophilie est apportée par une rugosité de surface réduite des membranes ozonées et la formation de nouvelles fonctionnalités à leur surface et dans la masse. Du fait de l’ozonation, les membranes ozonées deviennent perméables à l’eau, et le flux d’eau est égal à 2 L/(m l’angle de contact avec l’eau des membranes MP diminue de 120° à 60°. Selon la classification adoptée, les matériaux résultants peuvent être qualifiés d’hydrophiles car leur angle de contact est inférieur à 90°. L’amélioration de l’hydrophilie est apportée par une rugosité de surface réduite des membranes ozonées et la formation de nouvelles fonctionnalités à leur surface et dans la masse. Du fait de l’ozonation, les membranes ozonées deviennent perméables à l’eau, et le flux d’eau est égal à 2 L/(m2× h) à 1 bar. Une ozonation légère à court terme peut être considérée comme la cause de la modification des matériaux de la membrane car ils préservent leur stabilité de forme et présentent de bonnes propriétés mécaniques.
Lors d’une ozonation « sévère » à long terme, les membranes en PEHD deviennent exceptionnellement cassantes et se désintègrent en poudre. Cette méthode d’ozonation « sévère » peut être recommandée pour une dégradation efficace des membranes HDPE car l’ozonolyse intensive permet la scission de la chaîne et la formation d’oligomères et de produits de faible masse moléculaire, et nos études ultérieures seront axées sur l’examen détaillé de la cinétique de oxydation assistée par l’ozone. L’approche proposée offre une méthode facile et efficace pour la modification contrôlée des membranes HDPE et permet leur transformation de matériaux hydrophobes à hydrophiles. Par conséquent, les domaines de leur utilisation pratique peuvent être considérablement élargis, du traitement fin de l’eau aux applications biomédicales (par exemple, les membranes pour la nanofiltration, les matériaux biocompatibles et les échafaudages pour l’ingénierie tissulaire).
De plus, l’ozonation dans des conditions contrôlées peut être utilisée pour la stérilisation des membranes, résolvant ainsi à la fois les problèmes d’hydrophilisation et de pureté médicale. Enfin, les avantages de l’approche avancée pour la modification des polymères par ozonation peuvent être formulés comme suit : cette approche permet la préparation de membranes mésoporeuses hydrophiles à base de polyéthylène commercial à fort tonnage et à bas prix à l’aide d’un outil simple, écologique et en un seul pot. , et procédure peu coûteuse ; les matériaux de membranes mésoporeuses ozonées à base de polyéthylène se caractérisent par une mouillabilité et une perméabilité à l’eau élevées et peuvent être classés comme hydrophiles (angle de contact bien inférieur à 90°). Cette approche permet d’élargir le champ des applications pratiques des membranes polymériques ozonées (coupure 100-300kDa) pour la filtration membranaire (nanofiltration) d’objets de petite taille (dont virus, protéines, espèces étrangères, bactéries de grande taille, etc.). ) dans des solutions aqueuses. Cette approche permet une stérilisation répétée des membranes par ozonation. Enfin, contrairement aux membranes hydrophiles commerciales, les membranes poreuses hydrophiles résultantes avec des dimensions de pores à l’échelle nanométrique sont des matériaux robustes avec des propriétés mécaniques élevées. Cette approche permet d’élargir le champ des applications pratiques des membranes polymériques ozonées (coupure 100-300kDa) pour la filtration membranaire (nanofiltration) d’objets de petite taille (dont virus, protéines, espèces étrangères, bactéries de grande taille, etc.). ) dans des solutions aqueuses. Cette approche permet une stérilisation répétée des membranes par ozonation.

Enfin, contrairement aux membranes hydrophiles commerciales, les membranes poreuses hydrophiles résultantes avec des dimensions de pores à l’échelle nanométrique sont des matériaux robustes avec des propriétés mécaniques élevées. Cette approche permet d’élargir le champ des applications pratiques des membranes polymériques ozonées (coupure 100-300kDa) pour la filtration membranaire (nanofiltration) d’objets de petite taille (dont virus, protéines, espèces étrangères, bactéries de grande taille, etc.). ) dans des solutions aqueuses. Cette approche permet une stérilisation répétée des membranes par ozonation. Enfin, contrairement aux membranes hydrophiles commerciales, les membranes poreuses hydrophiles résultantes avec des dimensions de pores à l’échelle nanométrique sont des matériaux robustes avec des propriétés mécaniques élevées.

 

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Hydrophilization of Hydrophobic Mesoporous High-Density Polyethylene Membranes via Ozonation.