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湖工大李學鋒/北理工夏敏 Nano Lett.：堅固、抗污的親水微凝膠增強雙網絡水凝膠 - PVDF互穿微濾膜

2024-12-16 來源：高分子科技

膜分離技術由于其操作簡單，分離效率高等優勢已經被證實為含油廢水處理的有效方法，其中在市售的聚合物膜材料中，聚偏氟乙烯（PVDF）因其化學穩定性、熱穩定性等優勢近年來受到了廣泛的關注。但原始PVDF膜固有的疏水性和低表面能會導致處理含油廢水時造成膜污染，從而降低分離效率和使用壽命。基于水合層理論的親水改性方法可以有效抑制油滴在膜表面的黏附，通過摻入親水性改性劑直接在原位賦予PVDF膜良好潤濕性的適當改性方法已經成為工業上常用的方法，但是傳統的親水改性劑往往由于缺乏與膜的強相互作用，如分子鏈的高纏結以及改性劑與PVDF基體之間的共價鍵，在膜的制備過程和水環境中的長時間動態剪切過程中容易被洗出從而導致親水改性失效，因此，建立親水改性劑與PVDF膜基質之間的高相容性是高效分離含油廢水的重要條件。

針對上述問題，湖北工業大學材料化學與工程學院、綠色輕工材料湖北省重點實驗室李學鋒教授團隊與北京理工大學材料學院夏敏教授報道了一種基于互穿網絡結構（IPN）通過噴霧輔助非溶劑誘導相分離法（SANIPS）制備得到的親水微凝膠增強雙網絡水凝膠-PVDF互穿微濾膜。這種原位構建的IPN使得微濾膜具有更高的機械強度和潤濕性，在循環油水乳液過濾測試中保持高的分離效率，此外在惡劣的強酸/堿性環境中均具有相當好的化學穩定性。相關研究成果以“Robust, Antifouling, and Hydrophilic Particle-Based Double-Network Hydrogel?PVDF Interpenetrating Microfiltration Membrane”為題發表在國際學術期刊《Nano Letters》上。論文第一作者為湖北工業大學21級碩士畢業生陳晗予（現為北京理工大學博士研究生），通訊作者為李學鋒教授和夏敏教授，第一單位為湖北工業大學。

圖1 (a)用PAMPS/PAAm PDN水凝膠在鑄膜液中對原始PVDF進行本體改性，然后進行SANIPS（澆鑄、噴霧和相分離），從而制備PVDF/PDN微濾膜的工藝示意圖；(b)在SANIPS過程中PDN和PVDF之間原位IPN形成的機理

首先將PAMPS聚電解質微凝膠溶解在含有AAm單體分子和PVDF大分子的有機溶液中，然后通過擴散將AAm分散在有機溶劑和微凝膠的兩相中，熱引發自由基聚合產生的化學交聯的PAAm網絡與預先存在的PAMPS形成PAMPS/PAAm PDN凝膠，與PVDF聚合物鏈原位形成PDN - PVDF IPN結構，PAAm中的酰胺官能團與膜基質的連續相PVDF分子形成多重氫鍵（圖1a）。此外，由于PAMPS/PAAm PDN的親水性比PVDF高得多，因此在相分離階段，PAMPS/PAAm PDN會自發遷移到膜表面，從而形成親水基團富集的PVDF/PDN膜表面，能夠通過與周圍水分子的氫鍵形成水合層，從而排斥疏水物質，達到理想的防污性能。IPN結構有效地將親水性PDN水凝膠固定在疏水性PVDF基質中，避免了任何可能的本體相分離過程中的流失（圖1b）。

圖2 膜的(a)SEM圖像、(b)孔徑分布、(c)平均孔徑和(d)表面形態分析

SEM圖片顯示PVDF/PDN膜呈現出獨特的“島橋”雙相結構，證明PAMPS/PAAm PDN水凝膠與PVDF基體成功互穿（圖2a），本體改性保持了膜的原始孔隙結構（圖2b和c）以及提高了膜表面的粗糙度（圖2d），這有利于PVDF的高效分離、抗污性能的提升。

圖3 膜的(a和b)潤濕性能和(c)水通量

與其他膜相比，PVDF/PDN具有更親水性的表面（WCA在22 s內降至0°）（圖3a和b），這是PVDF/PDN膜實現高性能微濾的關鍵屬性，此外，PVDF/PDN還表現出最高的水通量（~ 1969 L m^?² h^?¹）（圖3c），相較于只加入致孔劑PVP膜提升了1.6倍。這些結果與PVDF/PDN膜中親水性基團數量和表面粗糙度的顯著增加密切相關，同時， PDN水凝膠的抗溶脹性能也確保了在這種壓力驅動的潮濕環境中保持穩定的多孔通道。

圖4 膜的循環油水分離性能

乳白色的水包油乳液經過PVDF/PDN膜過濾后得到澄清透明的濾液（圖4a），此外，PVDF/PDN膜在去離子水和水包油乳液的五次循環過濾測試中也表現出最高的通量（圖4b）、通量回復率（圖4c）、最低的不可逆污染率（圖4d）以及穩定的截油率（圖4e），這是由于高強韌的親水性PDN水凝膠與PVDF基質形成了強結合的IPN結構，避免了在清洗過程中結構被破壞從而親水改性失效，促進膜表面形成致密穩定的水合層從而大大降低了油滴吸附和污染的機會。

這項工作報道了一種構建堅固的親水性PVDF微濾膜PVDF/PDN的本體改性策略，在工業含油污水的過濾和凈化等實際應用中顯示出巨大的潛力。文章的共同作者還包括湖北工業大學碩士研究生聶黎霄，美國馬薩諸塞大學達特茅斯分校的李大鵬研究員以及湖北工業大學材料與化學工程學院的龍世軍副教授和黃以萬副教授。該研究工作得到國家自然科學基金項目（52073083）和湖北隆中實驗室自主創新項目的資助（2022ZZ-16）的資助。

原文鏈接：

Robust, Antifouling and Hydrophilic Particle-Based Double Network Hydrogel-PVDF Interpenetrating Microfiltration Membrane

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c04286

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（責任編輯：xu）

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