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
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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