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中科院寧波材料所劉富研究員課題組在Janus聚偏氟乙烯微孔膜方面取得進展
2018-07-19  來源:中國聚合物網

  具有非對稱浸潤性能的Janus微孔膜可用于油水分離、膜蒸餾、集霧,單向液體輸送和鼓泡等領域。目前的制備方法有漂浮法、靜電紡絲、表面涂覆、表面接枝等,但這些方法制備過程相對繁瑣,難以實現大面積制備,且所得薄膜的上下表面浸潤性相差不大。

  為了實現一步法制得上下表面浸潤性完全相反的Janus膜,中科院寧波材料所劉富研究員團隊提出化學相轉化,并通過控制相轉化過程中親水鏈的單向遷移路徑,使其由鑄膜液內部單向遷移到膜上表面進行富集,進而通過水熱交聯固定,從而獲得PVDF膜的超親水上表面,而下表面為超疏水,上下表面接觸角差可達140°,制備的Janus聚偏氟乙烯微孔膜具有優異的油水分離性能。

  聚合微孔膜表面的化學組成和微觀結構決定其表面的親疏水性。為了解決Janus膜制備過程復雜的問題,劉富研究員團隊以原位聚合的方式在聚偏氟乙烯(PVDF)鑄膜液中引入親水性組分乙烯基吡咯烷酮(NVP)和乙烯基三乙氧基硅烷(VTES)的共聚物(PVP-VTES),通過控制親水組分相轉化過程中的inside-out遷移路徑,并在膜底層引入隔水涂層,促進親水組分發生單向遷移,即只在膜的上表面發生遷移富集,而膜的下表面遷移富集受限制,從而使得上表面超親水,下表面超疏水,接觸角差達到140°,通過后續的熱交聯處理使親水鏈進行交聯固定。

圖1. Janus 膜的制備過程,(a)相轉化過程的單向遷移,(b)親水鏈的水熱交聯,(c)Janus膜。

  待膜完全固化后,將無紡布剝離,呈現出具有微納結構的下表面,另外由于在相轉化過程中親水改性劑遷往下表面受到抑制,所以剝離后的下表面呈現出超疏水的特性,接觸角可達140°。由此通過一步法制得上下表面浸潤性相反的Janus膜(Δθ≈140°),浸潤性差異大于文獻報道的數據。

圖2. 具有微納結構的下表面電鏡圖。

  通過控制無紡布中油的含量可以得到不同疏水性能的下表面。無紡布中含油量越高,則對相轉化過程中親水改性劑往下表面的遷移的限制程度越高,得到的下表面的接觸角則越大,同時遷往上表面的親水改性劑越多。因此親水面對水下油滴的粘附性越低(接觸角可達147°),疏水面對油下水滴的粘附性越低(接觸角可達170°)。該膜與具有對稱浸潤特性的疏水膜(M1)和親水膜(M2)相比表現出可轉換的油水分離特性,并且由于上下表面親疏水的協同效應,可以產生較高的油水分離效率,對水包油和油包水的分離效率均可達97.5%。相轉化制備方法成熟簡單,為Janus聚合物膜的大面積制備提供了解決方案。

圖3. (a)和(b)分別為疏水膜M1、Janus膜M4和親水膜M5的水下油滴和油下水滴的接觸角,(c)和(d)分別為對水包油和油包水的分離的通量和效率。

  以上相關成果發表在ACS Applied Materials & Interfaces上(DOI: 10.1021/acsami.8b08278)。論文的第一作者為博士生李田田,通訊作者為劉富研究員

  論文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.8b08278

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(責任編輯:xu)
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