【原创】原子层沉积技术在膜表面改性中的应用


来源:中国粉体网   星耀

[导读]  目前有许多膜表面改性方法,包括等离子体处理、表面浸涂、表面接枝、界面组合、表面沉积等。其中一种先进的膜表面改性方法是原子层沉积,主要用于调节膜的孔结构或表面亲水性,通过对膜表面化学结构的设计,可以提高膜的截留效果,减少膜污染。

中国粉体网讯  随着水净化技术的发展,膜法因其分离效率高而备受关注。然而,由于膜污染造成的低截留率和膜通量的降低仍然是其实际应用的巨大挑战。因此,膜表面改性被广泛应用于膜法的改进。


目前有许多膜表面改性方法,包括等离子体处理、表面浸涂、表面接枝、界面组合、表面沉积等。其中一种先进的膜表面改性方法是原子层沉积,主要用于调节膜的孔结构或表面亲水性,通过对膜表面化学结构的设计,可以提高膜的截留效果,减少膜污染。


 

图片来源:深圳原速科技有限公司


1原子层沉积技术特点分析


原子层沉积(Atomiclayerdeposition,ALD)是一种利用连续的表面反应,通过原子层控制在各种基底上共形沉积薄膜的方法。顾名思义,它本质上是原子的,可以在原子尺度上精确地在选定的衬底表面沉积薄膜。


与传统表面改性方法相比,ALD有以下特点:均匀、致密无孔洞;可生成极好的三维保形性化学计量薄膜,作为台阶覆盖和纳米孔材料的涂层;薄膜生长可在低温(室温到400℃)下进行;可简单精确地控制薄膜厚度;广泛适用于不同形状的基底; 此外,ALD在膜等高度弯曲的基质上是共形沉积,不仅保留了膜的原始孔结构,而且达到了近100%的覆盖率。


2原子层沉积技术原理分析


原子层沉积与普通的化学沉积有相似之处,但在原子层沉积过程中,新一层原子膜的化学反应是直接与之前一层相关联的,这种方式使每次反应只沉积一层原子。


一个原子层沉积周期可分为四个步骤:(1)向基底通入第一种前驱气体,与基体表面发生吸附或反应;(2)用惰性气体冲洗剩余气体;(3)通入第二种前驱气体,与吸附在基体表面的第一种前驱气体发生化学反应生成涂层,或与第一前驱体和基体反应的生成物继续反应生成涂层;(4)再次用冲洗气体将多余的气体冲走。如图1 所示。


 

图1 原子层沉积的循环过程示意图


在每个周期中生长的薄膜厚度是一致的,通过控制生长周期的数量可以实现对薄膜厚度的精确控制。因此,原子层沉积是一种精密可控的薄膜生长技术。


3原子层沉积在膜改性中的应用


3.1亲水性


膜表面改性的一个重要目标是控制膜表面的润湿性,如对低表面能材料(如聚四氟乙烯和聚丙烯)制成的膜的亲水性改善。这些材料具有非极性疏水表面,有化学惰性,难以用传统的化学和物理手段进行表面改性。ALD为这些材料提供了一种潜在亲水改性方法,因其可以直接在基体上形成共形沉积层,使材料具有亲水性,而不需要与底层膜表面发生反应。聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙烯膜等常见膜的亲水性也在ALD处理后增强,同时膜的通量和截留率也得到提高。


3.2抗污染性


膜污染将造成膜分离性能和渗透通量发生难以恢复的衰减,制约了膜技术的推广应用。膜污染主要分为无机污染、有机污染和生物污染。其中有机污染与生物污染与膜表面吸附性有关。


特定的污染物和特定的金属氧化物表面之间的特定相互作用决定了附着和污垢的容易程度。ALD处理后的膜由于表面亲水性的提高,细菌的附着力减轻,有效降低了膜的生物污染。同时,因膜表面亲水性提高,表面更易包覆极性分子,对油类等非极性分子的抗污染性能也显著增强。用ALD对膜进行改性用于油水分离已逐渐受到研究界的关注。Li等人发现,对膜进行ZnO层沉积后,膜对牛血清白蛋白(BSA)和海藻酸钠(SA)的吸附性降低。


3.3分离选择性


由于膜的多孔结构和较大表面积,膜可以用作催化剂和吸附剂的支撑材料。吸附和催化均在膜表面上进行,因此对膜材料进行表面功能化有利于膜性能的提升。和其他功能化方法相比,ALD工艺是共形沉积,不改变膜孔结构。Chen等人在氧化铝膜上沉积TiO2和Pt,Pt/TiO2膜在紫外光下均表现出光催化降解甲基蓝的性能。


4结语


ALD作为一种新型薄膜沉积方法,具有沉积温度低,台阶覆盖率高,所制薄膜均匀、致密无孔洞及厚度精确可控等优点,因此被广泛应用于纳米催化剂、电池、半导体器件和光学领域,且技术已比较成熟。


但该方法在膜表面改性方面仍存在一些不足,同时也为今后的研究提供了潜在的机遇。例如,由于无机物的固有刚性,ALD处理后聚合物膜的机械强度可能会降低。这一问题可以通过使用有机或有机-无机混合沉积来解决。另一个挑战是,大多数ALD必须在高温下进行,这可能会超过商用有机膜的聚合物熔点,破坏材料的固有属性。对于这一问题,可以通过推动低温ALD工艺的发展,使ALD技术更适用各种材料改性的需求。


参考来源:

【1】黄萌.原子层沉积对膜材料改性的研究进展.化工管理.2020.

【2】苗虎,等. 原子层沉积技术及应用.表面技术.2018.

(中国粉体网编辑整理/星耀)

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作者:星耀

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