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  超浸潤薄膜材料是指對水或者油具有不同超浸潤性質(zhì)的薄膜，如超親水膜（水在膜表面的接觸角接近于0°），超疏水膜（水在膜表面的接觸角大于150°）等。由于這種功能性膜對油、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制備。其中，具有多尺度微納米結(jié)構(gòu)粗糙表面的構(gòu)筑是實現(xiàn)薄膜材料超浸潤性能的關鍵步驟之一。目前研究者已經(jīng)發(fā)展出了多種方法在薄膜表面構(gòu)筑微納米結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)(Top-down strategy)。這些方法雖然能比較精確調(diào)控結(jié)構(gòu)，但其制備過程通常較為復雜，而且成本較高。另外一大類為通過構(gòu)筑或者沉淀等手段，在膜表面增加一些外來的結(jié)構(gòu)，從而形成多層次結(jié)構(gòu)(Button-up strategy)，常見的方法包括自組裝法、化學沉淀法、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(huán)境影響而逐漸流失，阻礙了這些材料在復雜環(huán)境中的穩(wěn)定應用。

  鑒于此，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(gòu)筑粗糙表面的新策略：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(nèi)核-軟表面（即溶脹的表面）的特殊過渡結(jié)構(gòu)；由于水熱反應的溫度和壓力作用，該特殊結(jié)構(gòu)由軟表面向硬內(nèi)核發(fā)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(jié)構(gòu)，由此提高聚合物薄膜的表面粗糙度（圖1）。

圖1. 溶劑/熱引發(fā)的粗糙過程的原理示意圖及粗糙處理前后PVDF納米纖維膜的形貌結(jié)構(gòu)

  聚偏二氟乙烯膜（PVDF）是一種性能優(yōu)異的高分子膜，在水處理，生物醫(yī)學，新型電池等領域有廣泛的應用。團隊采用這種由溶劑/熱引發(fā)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(fā)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。由于該微納米結(jié)構(gòu)由膜材料自身可控溶脹破裂產(chǎn)生，因此具有較強的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。為考察該策略的通用性，團隊采用該方法對具有不同膜結(jié)構(gòu)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(jié)果發(fā)現(xiàn)在膜表面同樣形成了大量由納米片組成的粗糙結(jié)構(gòu)。另外由于處理過程可控，薄膜原本的微球結(jié)構(gòu)或孔道結(jié)構(gòu)并未被破壞。

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

  本方法簡單易行，制備成本低，并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(fā)表在膜科學（Journal of Membrane Science，）上，并申請了發(fā)明專利。第一作者為卿偉華博士，通訊作者為湯初陽教授。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.memsci.2018.07.035