新策略利用聚合物薄膜自身形變構築微納粗糙結構

超浸潤薄膜材料是指對水或者油具有不同超浸潤性質的薄膜，如超親水膜（水在膜表面的接觸角接近於0°），超疏水膜（水在膜表面的接觸角大於150°）等。由於這種功能性膜對油、水不同的特殊浸潤性能，使得其在油水分離、氣體分離、膜蒸餾、二氧化碳捕集和新型燃料電池等不同過程中具有廣泛的應用。

一般來說，超浸潤薄膜主要通過表面化學修飾以及提高表面粗糙度來製備。其中，具有多尺度微納米結構粗糙表面的構築是實現薄膜材料超浸潤性能的關鍵步驟之一。目前研究者已經發展出了多種方法在薄膜表面構築微納米結構以提高薄膜的表面粗糙度。概言之，這些方法可以歸類為兩大類：第一大類為通過雕刻、模板、機械加工等手段將薄膜表面本身的某些部位除去，從而在表面形成多層次的結構(Top-down strategy)。這些方法雖然能比較精確調控結構，但其製備過程通常較為複雜，而且成本較高。另外一大類為通過構築或者沉澱等手段，在膜表面增加一些外來的結構，從而形成多層次結構(Button-up strategy)，常見的方法包括自組裝法、化學沉澱法、溶膠-凝膠法、納米顆粒聚集法等。但是這些納米顆粒容易受環境影響而逐漸流失，阻礙了這些材料在複雜環境中的穩定應用。

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圖1. 溶劑/熱引發的粗糙過程的原理示意圖及粗糙處理前後PVDF納米纖維膜的形貌結構

鑒於此，香港大學湯初陽教授團隊與阿卜杜拉國王科技大學王鵬教授合作，提出一種利用材料自身形變構築粗糙表面的新策略：應用水熱處理法，通過水熱溶劑對薄膜表面的有限度溶脹，在薄膜上形成硬內核-軟表面（即溶脹的表面）的特殊過渡結構；由於水熱反應的溫度和壓力作用，該特殊結構由軟表面向硬內核發生可控的變形和/或破裂，進而在薄膜表面形成多尺度的微納米結構，由此提高聚合物薄膜的表面粗糙度（圖1）。

聚偏二氟乙烯膜（PVDF）是一種性能優異的高分子膜，在水處理，生物醫學，新型電池等領域有廣泛的應用。團隊採用這種由溶劑/熱引發的粗糙（solvent-thermal induced roughening, STIR）策略，對PVDF納米纖維膜進行了處理（圖1）。通過溶劑/熱引發的可控形變，納米纖維表面形成了大量縱向排列的納米片，極大提高了纖維粗糙度（由3nm提高到28nm）。PVDF納米纖維膜的疏水性由138°提高到超疏水155°。纖維粗糙度的提升也使納米纖維膜的比表面積由7提升至19m2/g。由於該微納米結構由膜材料自身可控溶脹破裂產生，因此具有較強的結構穩定性。為考察該策略的通用性，團隊採用該方法對具有不同膜結構形貌的PVDF薄膜（PVDF微球和PVDF微濾膜）和不同膜材料聚(偏二氟乙烯-CO-六氟丙烯, PVDF-HFP)進行了處理（圖2）。結果發現在膜表面同樣形成了大量由納米片組成的粗糙結構。另外由於處理過程可控，薄膜原本的微球結構或孔道結構並未被破壞。

本方法簡單易行，製備成本低，並且具有較強的通用性，能提高多種聚合物表面的粗糙度，因此在油水分離、氣體分離、膜蒸餾、二氧化碳捕集和新型燃料電池等具有較大的應用前景。目前該研究成果以「Solvent-thermal induced roughening: A novel and versatile method to prepare superhydrophobic membranes」為題發表在膜科學（Journal of Membrane Science，）上，並申請了發明專利。第一作者為卿偉華博士，通訊作者為湯初陽教授。

圖2. 不同PVDF薄膜處理前後的形貌變化圖：（a）PVDF微球；（b）處理後的PVDF微球；（c）PVDF微濾膜斷面圖；（d）處理後的PVDF微濾膜斷面圖

該工作得到了阿卜杜拉國王科技大學合作研究項目(No. OSR-2017-CPF-3320)和國家自然科學基金國際合作與交流項目(No. N_HKU706/16)的支持。（來源：科學網）

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