Мембрани, що ущільнюються (полімерні)
До тих, що ущільнюються, відносяться мембрани, які під дією тиску або яких-небудь інших чинників ущільнюються. Ці мембрани відрізняються еластичністю, що спрощує їх герметизацію в апаратах. Найбільше застосування отримали полімерні мембрани з ліофільних матеріалів, що володіють високою питомою продуктивністю.
Мембрани з анізотропною структурою. Їх отримують зазвичай з розчинів полімерів з різними добавками шляхом видалення розчинників або заздалегідь введених в них добавок в умовах, що перешкоджають ущільненню полімеру унаслідок дії капілярних сил.
Для отримання листових (плівкових) напівпроникних мембран застосовують сухий (спонтанний), мокрий (коагуляційний) і термальний методи. При сухому методі полімер, наприклад ефір целюлози або суміш ефірів, розчиняють в розчинниках типу ацетону і до цього розчину додають відповідні пороутворюючі агенти (етанол, бутанол, воду, гліцерин та ін.). Перевага мембран, отриманих цим методом – можливість їх зберігання і транспортування в сухому вигляді.
Пористість мембран можна регулювати, змінюючи концентрацію і умови випаровування розчинів (наприклад, температуру), а також вводячи солі та інші речовини, розчинні у воді.
Мокрий (коагуляційний) метод формування мембран застосовуючи, наприклад, до мембран з ацетатів целюлози зводиться до наступного. Розчин, що складається з ацетату целюлози, розчинника (ацетону і води) і пороутворювача (перхлората магнію, іноді формаміду) наносять тонким шаром на горизонтальну поверхню, підсушують декілька хвилин і потім плівку, що утворюється, занурюють в холодну воду (близько 0 ˚С), в якій витримують протягом зразкової 1 години до відшарування плівки. У початковій стадії формування ацетон швидко випаровується з поверхні розчину полімеру і на ній утворюється гелевидний шар, що перешкоджає видаленню розчинника з глибших шарів розчину полімеру. Надалі цей шар перетвориться в активний. Товщина цього шару тим менше, чим більше тривалість випаровування розчинника (рисунок 1). При подальшій обробці нагрітою водою з поверхневого шару плівки вимивається як розчинник, так і пороутворювач.
Рисунок 1. Залежність товщини активного шару (дА) і підшару (дВ) від тривалості випаровування розчинника.
Термальний метод формування мембран полягає в термічній желатинізації суміші полімеру і відповідних пластифікаторів, наприклад полигліколів. Компоненти змішують, розплавляють і охолоджують, отримуючи так звані термальні гелі. При цьому розчинювальна здатність пластифікаторів, а отже, і ступінь розчинення полімеру змінюються зі зміною температури. У міру зниження температури розплаву макромолекули полімеру взаємодіють і утворюють гелевидну структуру. При цьому в результаті розділення фаз утворюються пори.
Крім трьох основних методів отримання плівкових мембран можна використовувати також модифікування промислових полімерних плівок, наприклад щеплення речовин, що містять гідрофільні групи. В результаті збільшення ліофільності полімеру сорбція ним води зростає, і полімер може набухати до стану гелю.
Для отримання мембран у вигляді порожнистих волокон застосовують наступні методи: сухий, сухо-мокрий, мокрий і метод формування з розплаву. Сухий метод застосовують для отримання порожнистого волокна з розчину пропусканням його через фільєри з подальшим видаленням розчинника на повітрі або в струмені інертного газу. Для утворення наскрізного каналу у волокні використовують фільєри з голкою, яка закріплена в центрі отвору фільєри (рисунок 2, а). Замість голки іноді використовують капіляр (див. рисунок 2, б), через який під тиском подають газ.
Сухо-мокрий метод отримання порожнистих волокон відрізняється від сухого тим, що після видалення на повітрі розчинника з розчину полімер осаджуючого у воді або в якому-небудь іншому осаджувачі з подальшим видаленням розчинника і утворенням активного шару.
Рисунок 2. Схеми фільєр для формування порожнистих волокон з напівпроникними стінками:
а – фільєри 1 з голкою 2; б – фільєри 1 з порожнистою голкою 2 для подачі газу; в – фільєри 1 з порожнистою голкою 2 для подачі осаждаючого розчину.
При мокрому методі порожнисте волокно формують в осаджувальну ванну, оминувши стадію видалення розчинника на повітрі. При цьому всередину порожнистого волокна по голці або капіляру подають осаджувач (див. рисунок 2, в), зазвичай воду.
При формуванні (волокон) з розплаву використовують розплав полімеру з різними добавками. Після закінчення формування через фільєру порожнисте волокно обробляють так само, як при сухому або сухо-мокрому методах. Слід зазначити, що фільєри для формування волокон з розплаву найбільш прості за конструкцією.
Мембрани з ізотропною структурою. Ці мембрани отримують опромінюванням тонких полімерних плівок зарядженими частинками або електромагнітним випромінюванням з тим, щоб в подальшому труїть хімічними реагентами, тому їх називають ядерними мембранами, або «нуклеопорами».
Унаслідок деструкції молекулярна маса полімеру уздовж трека зарядженої частинки стає значно меншою, ніж в радіаційно-непошкоджених місцях. Тому підвищується чутливість деякої області полімеру до хімічної дії. Щоб в результаті того, що хімічно витравлюэться лугом або кислотою утворилися крізні, практично однакового діаметру пори, слід застосовувати випромінювання з високою щільністю іонізації, зокрема β-часточками і протонами.
Для більшості полімерів вірогідним механізмом утворення треків є розрив хімічних зв'язків. Заряджені частинки іонізують і порушують макромолекули полімеру розривом ланцюгів, кінці яких володіють високою хімічною активністю. Тому надалі при зануренні опроміненої плівки в кислоту або луг на місці треків утворюються пори.
В даний час можна отримувати ядерні мембрани з порами діаметром від декількох нанометрів до декількох десятків мікрометрів. Товщина цих мембран змінюється від одного до декількох мікрометрів (зазвичай близько 10 мкм).
Переваги ядерних мембран:
відхилення діаметрів пор від номінального значення не перевищує 10%;
правильна, практично кругла форма поперечного перетину пор;
можливість отримання мембран із заздалегідь заданим числом і діаметром пор;
можливість використання для виготовлення мембран матеріалів, стійких до агресивних середовищ;
пасивність в біологічному відношенні;
стійкість до дії бактерій (вони не володіють бактерицидними властивостями);
стійкість в умовах термічної і хімічної обробки і ін.
Тому ядерні мембрани дуже перспективні для мікроаналітичних досліджень (наприклад, в цитології і елементному аналізі), для фракціонування розчинів високомолекулярних з'єднань і їх очищення. Ядерні мембрани з успіхом використовують для отримання очищеної від бактерій води в польових умовах, для вивчення розмірів і будови клітин крові різних типів (зокрема, для виділення ракових клітин з крові) і для інших цілей.