聚合物包合膜（PIMs）中增塑剂影响的全面研究：探索硬脂酸丁酯（BTS）作为有前景的替代品

作者及机构
本研究由西班牙赫罗纳大学（University of Girona）的Berta Alcalde、Gemma Elias、José Alberto Méndez、Enriqueta Anticó和Clàudia Fontàs，澳大利亚墨尔本大学（The University of Melbourne）的Spas D. Kolev，西班牙高等科学研究理事会（CSIC）的Sergi Díez，以及加泰罗尼亚理工大学（Universitat Politècnica de Catalunya）的Helena Oliver-Ortega共同完成。论文于2024年1月9日发表在期刊《Membranes》（卷14，第1期，第19篇）。

学术背景
聚合物包合膜（Polymer Inclusion Membranes, PIMs）是一种由聚合物基质、载体（如萃取剂）和增塑剂组成的复合膜，广泛应用于化学分离领域。增塑剂通过增强膜的柔韧性和传输效率，显著影响PIMs的性能。然而，传统增塑剂如邻苯二甲酸酯（phthalates）因潜在毒性和环境风险受到限制，而己二酸酯（adipates）和癸二酸酯（sebacates）虽更环保但成本较高。因此，本研究首次评估了硬脂酸丁酯（butyl stearate, BTS）作为PIMs增塑剂的潜力。BTS是一种低毒、低成本的合成酯类，常用于化妆品和食品工业。研究以三醋酸纤维素（cellulose triacetate, CTA）和聚氯乙烯（poly(vinyl chloride), PVC）为基材，以离子液体三辛基甲基铵硫代水杨酸盐（trioctylmethylammonium thiosalicylate, TOMATS）为载体，系统比较了BTS与传统增塑剂（如2-硝基苯基辛基醚（NPOE））对膜性能的影响，并以汞离子（Hg(II)）为模型污染物验证传输效率。

研究流程
1. 膜制备与组分选择
- 采用溶剂蒸发法制备PIMs，膜组成为50%聚合物（CTA或PVC）、30% TOMATS和20%增塑剂（包括NPOE、BTS、己二酸双(1-丁基戊基)酯（BBPA）、癸二酸二(2-乙基己基)酯（DOS）等）。
- 对照组为无增塑剂的膜（50%聚合物+50% TOMATS）及纯聚合物膜。

1. 膜表征

   • 接触角测试：评估膜亲水性。结果显示，所有含TOMATS的膜均呈亲水性（接触角<90°），BTS显著增强CTA和PVC膜的亲水性（CTA膜接触角从62.62°降至49.27°）。
     
   • 扫描电镜（SEM）成像：观察膜微观结构。CTA基膜表面致密光滑，而PVC基膜在BTS作用下出现纳米级凹陷，可能与溶剂蒸发导致的固液分离有关。
     
   • 机械性能测试：通过拉伸实验测量弹性模量、最大变形和极限抗拉强度。PVC基膜的延展性优于CTA基膜，BTS使PVC膜的断裂伸长率从244%提升至393%，表明其长链结构更有效分离PVC分子链。
     
   • 热重分析（TGA）：评估热稳定性。纯CTA和PVC的降解温度分别为370°C和285°C，而含增塑剂的膜降解温度降低，说明增塑剂降低了聚合物的热稳定性。
     

2. 传输实验

   • 以0.5 mg/L Hg(II)模拟天然水为进料相，10⁻³ M半胱氨酸溶液为接收相，通过ICP-OES测定24小时内Hg(II)的传输效率（TE）。
     
   • 结果：CTA基膜的TE与增塑剂类型无关（TE为63–84%），而PVC基膜中BTS的TE显著高于NPOE（95% vs. 18%），归因于BTS的长链结构促进载体扩散。
     

主要结果
1. 增塑剂对膜性能的影响
- BTS在PVC基膜中表现出优异的柔韧性和传输效率，其长链结构（C18）比NPOE的芳香环更利于分子链分离。
- 接触角和SEM证实BTS增强膜亲水性和表面均匀性，而TGA显示增塑剂降低了热稳定性。

1. 传输机制差异
   
   • CTA基膜的传输效率不受增塑剂影响，可能因CTA本身的高刚性限制了增塑剂作用；而PVC基膜对增塑剂敏感，BTS通过降低膜粘度提升Hg(II)传输。
     

结论与价值
本研究证实BTS是一种低成本、低毒且高效的PIMs增塑剂，尤其适用于PVC基膜。其科学价值在于揭示了增塑剂分子结构与膜性能的构效关系，为环境友好型膜材料设计提供了新思路。应用上，BTS可替代传统增塑剂，推动PIMs在重金属废水处理中的工业化应用。

研究亮点
1. 创新性：首次将BTS应用于PIMs，并系统比较其与传统增塑剂的性能差异。
2. 方法学：结合多尺度表征（SEM、TGA、机械测试）与传输实验，全面解析增塑剂作用机制。
3. 环保与经济性：BTS的低毒性和低成本（0.014欧元/毫升）使其具有显著产业化优势。

其他价值
研究还指出，增塑剂的介电常数和粘度是影响传输效率的关键参数，未来可进一步优化BTS与其他载体的协同效应。