B ADANIE STRUKTURY MEMBRAN

II.5.1. Pomiar kąta zwilżania

W celu określenia zdolności zwilżających polimerowych membran inkluzyjnych przeprowadzono pomiary kąta zwilżania stosując jako roztwór zwilżający roztwór fazy zasilającej. Pomiar kąta zwilżania wykonano przy użyciu aparatu Tracker firmy I.T.

Concept. Kroplę danego roztworu o objętości 3 μl nakładano na powierzchnię analizowanej membrany. Mierzono kąt θ utworzony przez powierzchnię ciała stałego i styczną do powierzchni cieczy w punkcie styku kropli z powierzchnią membrany.

Wartość kąta zwilżania odczytano po ustabilizowaniu się pomiaru, czyli po około 300 s.

Dla każdego z pomiarów, który był wykonywany dwukrotnie obliczono wartość odchylenia standardowego.

II.5.2. Badania FT-IR

W celu określenia zmian, jakim może ulegać membrana podczas ekstrakcji membranowej, wykonano badania struktury wybranych membran zarówno przed jak i po procesie transportu. W badaniach wykorzystano spektroskop IR VARTEX 70 marki

BRUCKER OPTICS. Badaną membranę podzielono na cztery części, przez każdą część przepuszczono wiązkę lasera. Wykonano widma czystego polimeru (CTA oraz PVC), CTA-NPOE i PVC-NPOE oraz CTA-NPOE-IL i PVC-NPOE-IL przed procesem ekstrakcji membranowej i po nim.

II.5.3. Pomiar grubości

Przed przystąpieniem do procesu ekstrakcji membranowej zmierzono grubość każdej z membran za pomocą grubościomierza MG-401 marki Elmetron. Uzyskany wynik jest wartością średnią z 10 pomiarów wykonanych w różnych miejscach membrany.

II.5.4. Pomiar masy membran

Każdą membranę ważono dwukrotnie na wadze Mettler Toledo AB104-S bezpośrednio przed rozpoczęciem i po zakończeniu procesu.

II.5.5. Mikroskopia sił atomowych (AFM)

Powierzchnia wybranych membran została scharakteryzowana za pomocą mikroskopu sił atomowych. Zdjęcia AFM zostały wykonane w ramach współpracy z Wydziałem Fizyki Technicznej Politechniki Poznańskiej (dr inż. M. Nowicki).

W badaniach wykorzystano mikroskop sił atomowych AFM Agilent Technologies 5500.

Procedura przygotowania PIM do pomiarów za pomocą AFM przebiegała następująco: po zmierzeniu grubości membran wycinano kawałek badanego materiału.

Następnie badaną próbkę przeklejono do podstawek aparatu za pomocą kleju na bazie żywicy epoksydowej. Po upływie kilkunastu minut membrany były gotowe do badań.

Przebadano membrany dla następujących obszarów skanowania: 15x15 μm, 3x3 μm, 500x500 μm, 250x250 μm. Analiza obrazów przedstawiających topografię PIM pozwoliła na uzyskanie chropowatości struktur w badanym obszarze skanowania, z kolei kontrast fazowy pokazał stopień niejednorodności powierzchni PIM.

II.5.6. Pomiar intedancji

Przeprowadzono także badania twardości wybranych PIM z zastosowaniem indentera. Wyznaczenie parametru twardości odbywało się na zasadzie pośredniego

pomiaru odporności badanego materiału na deformację plastyczną. Jednym z takich sposobów jest wgniatanie w próbkę próbnika (indentera) zakończonego twardym ostrzem.

Pomiary nanotwardości zostały wykonane z zastosowaniem aparatu Nano Indenter G200 firmy Agilent Technologies.

Przygotowanie próbek do pomiarów z wykorzystaniem indentera przebiegało w sposób podobny do opisanej wcześniej procedura przygotowania membran do badań za pomocą AFM.

II.5.7. Badanie wytrzymałości PIM na rozciąganie

Dodatkowo, przeprowadzono także próby zrywania wybranych polimerowych membran inkluzyjnych. Do badań zastosowano nanozrywarkę UTM T150 firmy Agilent Technologies. Dzięki oprogramowaniu zintegrowanym z urządzeniem możliwe było rejestrowanie zależności pomiędzy odkształceniem względnym, czyli przyrostem długości próbki a siłą potrzebną do uzyskania danego przyrostu. Procedura przygotowania próbek do badań z zastosowaniem zrywarki znacząco różniła się od opisanego wcześniej sposobu przygotowania próbek do pomiarów z wykorzystaniem AFM oraz indentera.

Próby zrywania wymagały, żeby przekrój poprzeczny badanej próbki był na tyle mały, żeby możliwe było zerwanie materiału. W tym przypadku grubość membran była wymiarem, której wartości nie można było zmienić, co wiązało się z koniecznością otrzymania możliwie najcieńszych, równoległych kawałków PIM. Do wycinania pasków PIM wykorzystano przyrząd, którego ostrza stanowiły dwie równolegle skręcone żyletki.

W celu otrzymania próbki należało do powierzchni badanej membrany, którą umieszczano na odpowiedniej podkładce, przyłożyć ostrza przyrządu, a następnie wyciąć próbkę uderzając młotkiem w przyrząd. W kolejnym kroku wycinano z tektury specjalne szablony, do których za pomocą żywicy epoksydowej przeklejano kawałki wyciętych membran.

Umocowanie przygotowanych próbek w zrywarce polegało na wkręceniu w szczęki urządzenia „kulek” kleju, którym zostały przytwierdzone badane membrany. Ostatni etap przed przystąpieniem do pomiarów polegał na rozcinaniu nożykami tekturowych boków.

II.5.8. Skaningowa mikroskopia elektronowa (SEM)

Dla części wybranych membran wykonano zdjęcia (zarówno powierzchnia PIM jak i przekrój poprzeczny) skaningowym mikroskopem elektronowym. W badaniach zastosowano następujące aparaty: Vega 5135-Tescan, 8 kV, napylanie membrany węglem (przekroje poprzeczne) oraz Jeol 7001 TTLS (zdjęcia powierzchni).

II.5.9. Różnicowa kalorymetria skaningowa (DSC)

Struktura wybranych polimerowych membran inkluzyjnych została opisana za pomocą różnicowej kalorymetrii skaningowej z wykorzystaniem aparatu Mettler DSC1 firmy Mettler Toledo. Fragment membrany o całkowitej masie około 5 mg został przebadany w zakresie temperatur -80°C to 270°C w atmosferze azotu atmosferycznego.

Szybkość ogrzewania/chłodzenia próbki wynosiła 10°C/min. Badania z zastosowaniem techniki DSC zostały wykonane przez dr inż. D. Prządkę z Zakładu Polimerów Wydziału Technologii Chemicznej Politechniki Poznańskiej.

II.5.10. Dyfraktometria rentgenowska (XRD)

Dodatkowo określono stopień krystaliczności wybranych polimerowych membran inkluzyjnych za pomocą dyfraktometrii rentgenowskiej (X-Ray Diffraction, XRD).

Zastosowano promieniowanie Cu K o wartości 30 kV i wzbudzeniu anody 25 mA.

Rejestrowano dyfrakcję promieniowania rentgenowskiego dla kąta 2theta w zakresie od 5 do 40°C z szybkością 0,04°/s. Badania te zostały wykonane przez dr hab. inż. S. Borysiaka z Zakładu Polimerów Wydziału Technologii Chemicznej Politechniki Poznańskiej.

II.6.

Stabilność polimerowych membran inkluzyjnych

Wybrane PIM zbadano pod kątem stabilności działania. Dla każdej z wytypowanych membran przeprowadzono cykl badań, na który składało się pięć 48 h procesów transportu.

Po każdym z zakończonych cykli membranę przemywano wodą dejonizowaną przez około 30 minut, po czym uruchamiano kolejny proces z zastosowaniem świeżych faz wodnych (przez cały czas membrana znajdowała się w module membranowym). Dla każdego cyklu wyznaczono parametry charakteryzujące transport przez PIM oraz zbadano struktury takich membran (zdjęcia SEM, widma FT-IR) po pięciu cyklach.