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中科院宁波材料所刘富研究员课题组在Janus聚偏氟乙烯微孔膜方面取得进展
2018-07-19 来源:中国流变网    点击次数:100次    

  具有非对称浸润性能的Janus微孔膜可用于油水分离、膜蒸馏、集雾,单向液体输送和鼓泡等领域。目前的制备方法有漂浮法、静电纺丝、表面涂覆、表面接枝等,但这些方法制备过程相对繁琐,难以实现大面积制备,且所得薄膜的上下表面浸润性相差不大。

  为了实现一步法制得上下表面浸润性完全相反的Janus膜,中科院宁波材料所刘富研究员团队提出化学相转化,并通过控制相转化过程中亲水链的单向迁移路径,使其由铸膜液内部单向迁移到膜上表面进行富集,进而通过水热交联固定,从而获得PVDF膜的超亲水上表面,而下表面为超疏水,上下表面接触角差可达140°,制备的Janus聚偏氟乙烯微孔膜具有优异的油水分离性能。

  聚合微孔膜表面的化学组成和微观结构决定其表面的亲疏水性。为了解决Janus膜制备过程复杂的问题,刘富研究员团队以原位聚合的方式在聚偏氟乙烯(PVDF)铸膜液中引入亲水性组分乙烯基吡咯烷酮(NVP)和乙烯基三乙氧基硅烷(VTES)的共聚物(PVP-VTES),通过控制亲水组分相转化过程中的inside-out迁移路径,并在膜底层引入隔水涂层,促进亲水组分发生单向迁移,即只在膜的上表面发生迁移富集,而膜的下表面迁移富集受限制,从而使得上表面超亲水,下表面超疏水,接触角差达到140°,通过后续的热交联处理使亲水链进行交联固定。

图1. Janus 膜的制备过程,(a)相转化过程的单向迁移,(b)亲水链的水热交联,(c)Janus膜。

  待膜完全固化后,将无纺布剥离,呈现出具有微纳结构的下表面,另外由于在相转化过程中亲水改性剂迁往下表面受到抑制,所以剥离后的下表面呈现出超疏水的特性,接触角可达140°。由此通过一步法制得上下表面浸润性相反的Janus膜(Δθ≈140°),浸润性差异大于文献报道的数据。

图2. 具有微纳结构的下表面电镜图。

  通过控制无纺布中油的含量可以得到不同疏水性能的下表面。无纺布中含油量越高,则对相转化过程中亲水改性剂往下表面的迁移的限制程度越高,得到的下表面的接触角则越大,同时迁往上表面的亲水改性剂越多。因此亲水面对水下油滴的粘附性越低(接触角可达147°),疏水面对油下水滴的粘附性越低(接触角可达170°)。该膜与具有对称浸润特性的疏水膜(M1)和亲水膜(M2)相比表现出可转换的油水分离特性,并且由于上下表面亲疏水的协同效应,可以产生较高的油水分离效率,对水包油和油包水的分离效率均可达97.5%。相转化制备方法成熟简单,为Janus聚合物膜的大面积制备提供了解决方案。

图3. (a)和(b)分别为疏水膜M1、Janus膜M4和亲水膜M5的水下油滴和油下水滴的接触角,(c)和(d)分别为对水包油和油包水的分离的通量和效率。

  以上相关成果发表在ACS Applied Materials & Interfaces上(DOI: 10.1021/acsami.8b08278)。论文的第一作者为博士生李田田,通讯作者为刘富研究员

  论文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.8b08278

 
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