Влияние вч плазменной обработки на характеристики полисульфонамидных мембран и интенсивность разделения водомасляных эмульсий

Влияние ВЧ плазменной обработки на характеристики 
полисульфонамидных мембран и интенсивность
разделения водомасляных эмульсий
А. В. Федотова
а
, 
*
В. О. Дряхлов
а
, И. Г. Шайхиев
а
, И. Р. Низамеев
b
, Г. Ф. Гараева
а

а
ФГБОУ ВО «Казанский национальный исследовательский технологический университет», 
 ул. К. Маркса, 68, г. Казань, 420015, Россия, 
*
e-mail: 
vladisloved@mail.ru

b
ФГБОУ ВО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева»,
ул. К. Маркса, 10, г. Казань, 420111, Россия 
Проведена обработка полисульфонамидных мембран с массой отсекаемых частиц 20 кДа
(размер пор – 0,01 мкм) в потоке высокочастотной (ВЧ) емкостной плазмы пониженного дав-
ления тлеющего разряда в среде аргона и азота при напряжении анода U
a
= 1,5 кВ в течение
t =
1,5 мин. Инструментальными методами анализа выявлено изменение структуры поверх-
ности мембраны – снижение шероховатости, уменьшение краевого угла смачивания с 59,6° до 
47,9°, а также образование кислородсодержащих функциональных групп в результате плазмо-
обработки при обозначенных параметрах. Проведены эксперименты по мембранному разделе-
нию 3% водомасляной эмульсии, на основании которых показана интенсификация процесса с 
использованием плазмообработанных полисульфонамидных мембран. 
Ключевые слова: полисульфонамидная мембрана, плазма, обработка, водомасляная эмульсия, 
эффективность разделения. 
УДК 537.525; 628.33 
Физические и механические свойства матери-
алов, из которых изготавливаются изделия и
инструменты для промышленности, во многом 
не удовлетворяют современным требованиям, в 
связи с чем возникает необходимость их моди-
фикации с целью улучшения их потребительских 
и технологических характеристик. Возможности 
изменения свойств этих материалов традицион-
ными методами практически исчерпаны. Поэто-
му в настоящее время интенсивно исследуются 
новые технологии, основанные, в частности, на 
применении заряженных частиц в качестве обра-
батывающего инструмента. Одним из способов 
такого воздействия является применение газово-
го разряда плазмы [1]. Последняя представляет 
собой частично или полностью ионизированный 
газ, образованный из нейтральных атомов, моле-
кул и заряженных частиц. Главной особенностью 
плазмы является квазинейтральность, это озна-
чает, что объемные плотности положительно и 
отрицательно заряженных частиц, из которых 
она образована, оказываются почти одинако-
выми.
Основным воздействием неполимерообразу-
ющей плазмы на поверхность полимера является
изменение контактных свойств – смачиваемости 
и адгезии, трансформация которых основана как 
на очистке от загрязнений и модификации
поверхности, так и на образовании функцио-
нальных групп различной химической природы, 
состав и структура которых зависят от хими-
ческой структуры полимера и параметров плаз-
мообработки. 
Активными элементами в процессе плазмо-
химической модификации являются электроны, 
ионы, возбужденные атомы и молекулы, а также 
ультрафиолетовое излучение [2]. Соответствую-
щие первичные химические реакции могут быть 
представлены следующими уравнениями: 
RH + e, hν → R + H
(разрыв связи R-H); (1) 
RH + e, hν → R
1
+ R
2 
(разрыв связи С-С, деструкция молекулы); (2) 
RH + e, hν → R
1
-CH=CH-R
2
(образование двойной связи). (3) 
Активные 
первичные 
продукты 
могут
вступать во вторичные реакции: 
RH + H→ R + H
2
(образование газообразного Н 2); (4) 
R·+ H·→ R
1
-CH=CH-R
2
+ Н
2
(образование двойной связи и Н 2); (5) 
Н·+ Н·→ Н
2
(образование газообразного Н 2); (6) 
R·+ R → R-R 
(образование межмолекулярных сшивок). (7) 
Под воздействием такого количества актив-
ных частиц на поверхности полимеров наблюда-
ется целый ряд процессов: травление, окисление 
и окислительное травление, деструкция и сшива-
_______________________________________________________________________________________________________ 
 Федотова А.В., Дряхлов В.О., Шайхиев И.Г., Низамеев И.Р., Гараева Г.Ф., Электронная обработка материалов, 2017, 
53(4), 67–73.
67

ние, разрыв связей с образованием полярных 
групп, образование полярных групп при взаимо-
действии с газовой фазой плазмы, прививка в 
плазме к модифицируемой поверхности тонких 
пленок различной химической природы и т.п., 
которые практически невозможно разделить на 
последовательные стадии.
При травлении полимеров в плазме происхо-
дят разрушение поверхностного слоя, который, 
как правило, является более дефектным, чем его 
основная масса, и удаление образующихся при 
этом газообразных продуктов. Скорость травле-
ния зависит как от вида газа, в атмосфере кото-
рого оно проводится, так и от структуры и 
свойств полимера. 
Окисление поверхностного слоя полимеров в 
плазме воздуха и кислорода наблюдается для 
очень широкого круга полимерных материалов и 
приводит к гидрофилизации за счет образования 
полярных кислородсодержащих групп, суще-
ственно изменяющих энергетические свойства 
поверхности. Процесс плазмохимической моди-
фикации является многоканальным и, как прави-
ло, указанные выше направления сосуществуют 
одновременно с единым результатом – измене-
нием структуры и поверхностных свойств поли-
мерного материала [3–4]. 
На сегодняшний день ввиду своей полифунк-
циональности плазмохимическая модификация 
широко используется для решения научных и 
практических задач. В частности, одним из 
направлений использования плазмохимической 
обработки является обработка полимерных
мембран для улучшения некоторых механиче-
ских и эксплуатационных характеристик, таких 
как смачиваемость, твердость, проницаемость, 
адгезия, коэффициент трения, бактерицидные 
свойства, поверхностная проводимость и био-
совместимость. Указывается, что низкотемпера-
турная плазма способствует образованию на
поверхности некоторых полимеров функцио-
нальных группировок, таких как -СООН, -ОН,
-COOR, >C = O и -NH
2 
[5–11]. 
Изучение явлений, происходящих при взаи-
модействии потока высокочастотной (ВЧ) плаз-
мы с поверхностью твердого тела, дает возмож-
ность спрогнозировать, как изменятся свойства 
материала или его поверхности после воздей-
ствия плазмы [12].
В частности, исследовалось влияние плазмы, 
образованной в атмосфере NH
3
и NH
3
/аргон, на
поверхность 
полисульфоновой 
мембраны.
Проведенными экспериментами определено, что 
плазмообработка в атмосфере аммиака с аргоном 
способствует более глубоким изменениям
поверхностного слоя полимера. Воздействие 
плазмы, полученной в атмосфере аммиака,
вызывало, наоборот, эффект очищения поверх-
ности и расширения пор мембраны, что приво-
дит к увеличению производительности фильтро-
элемента [13]. 
В связи с вышеизложенным в продолжение 
ранее проведенных исследований [14–17] в дан-
ной работе инструментальными методами ана-
лиза – электронной микроскопией, сидячей кап-
лей, ИК-спектрометрией и дифрактометрией – 
исследовалось 
влияние 
высокочастотной
емкостной низкотемпературной плазмы пони-
женного давления тлеющего разряда на поверх-
ностные и структурные характеристики поли-
сульфонамидных (ПСА) мембран. В качестве 
последних использовались плоские круглые 
фильтроэлементы марки «УПМ-20» толщиной 
0,12–0,13 
мкм с площадью поверхности
1,735·10
-3
м
2
и массой отсекаемых частиц 20 кДа 
(размер пор ≈ 0,01 мкм) (согласно калибровке 
производителя ЗАО НТЦ «Владипор»), что соот-
ветствует 
наименьшему 
размеру 
частиц
дисперсной фазы эмульгированных сред. 
Структура полимерной цепи ПСА приведена 
на рис. 1. Представленный полимер является
умеренно гидрофобным, химически стойким, 
рабочий диапазон рН составляет 2–12, имеет
хорошую температурную стабильность до 100°С, 
термопластичен, растворим в органических
растворителях.
Рис. 1. Структурная формула полисульфонамида.
Обработка плазмой осуществлялась в газовой 
среде аргона и азота в объемном соотношении 
70:30 при следующих параметрах:
 напряжение на аноде (U