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  具有非對(duì)稱浸潤(rùn)性能的Janus微孔膜可用于油水分離、膜蒸餾、集霧，單向液體輸送和鼓泡等領(lǐng)域。目前的制備方法有漂浮法、靜電紡絲、表面涂覆、表面接枝等，但這些方法制備過(guò)程相對(duì)繁瑣，難以實(shí)現(xiàn)大面積制備，且所得薄膜的上下表面浸潤(rùn)性相差不大。

  為了實(shí)現(xiàn)一步法制得上下表面浸潤(rùn)性完全相反的Janus膜，中科院寧波材料所劉富研究員團(tuán)隊(duì)提出化學(xué)相轉(zhuǎn)化，并通過(guò)控制相轉(zhuǎn)化過(guò)程中親水鏈的單向遷移路徑，使其由鑄膜液內(nèi)部單向遷移到膜上表面進(jìn)行富集，進(jìn)而通過(guò)水熱交聯(lián)固定，從而獲得PVDF膜的超親水上表面，而下表面為超疏水，上下表面接觸角差可達(dá)140°，制備的Janus聚偏氟乙烯微孔膜具有優(yōu)異的油水分離性能。

  聚合微孔膜表面的化學(xué)組成和微觀結(jié)構(gòu)決定其表面的親疏水性。為了解決Janus膜制備過(guò)程復(fù)雜的問(wèn)題，劉富研究員團(tuán)隊(duì)以原位聚合的方式在聚偏氟乙烯（PVDF）鑄膜液中引入親水性組分乙烯基吡咯烷酮（NVP）和乙烯基三乙氧基硅烷（VTES）的共聚物（PVP-VTES），通過(guò)控制親水組分相轉(zhuǎn)化過(guò)程中的inside-out遷移路徑，并在膜底層引入隔水涂層，促進(jìn)親水組分發(fā)生單向遷移，即只在膜的上表面發(fā)生遷移富集，而膜的下表面遷移富集受限制，從而使得上表面超親水，下表面超疏水，接觸角差達(dá)到140°，通過(guò)后續(xù)的熱交聯(lián)處理使親水鏈進(jìn)行交聯(lián)固定。

圖1. Janus 膜的制備過(guò)程，(a)相轉(zhuǎn)化過(guò)程的單向遷移，(b)親水鏈的水熱交聯(lián)，(c)Janus膜。

  待膜完全固化后，將無(wú)紡布剝離，呈現(xiàn)出具有微納結(jié)構(gòu)的下表面，另外由于在相轉(zhuǎn)化過(guò)程中親水改性劑遷往下表面受到抑制，所以剝離后的下表面呈現(xiàn)出超疏水的特性，接觸角可達(dá)140°。由此通過(guò)一步法制得上下表面浸潤(rùn)性相反的Janus膜（Δθ≈140°），浸潤(rùn)性差異大于文獻(xiàn)報(bào)道的數(shù)據(jù)。

圖2. 具有微納結(jié)構(gòu)的下表面電鏡圖。

  通過(guò)控制無(wú)紡布中油的含量可以得到不同疏水性能的下表面。無(wú)紡布中含油量越高，則對(duì)相轉(zhuǎn)化過(guò)程中親水改性劑往下表面的遷移的限制程度越高，得到的下表面的接觸角則越大，同時(shí)遷往上表面的親水改性劑越多。因此親水面對(duì)水下油滴的粘附性越低（接觸角可達(dá)147°），疏水面對(duì)油下水滴的粘附性越低（接觸角可達(dá)170°）。該膜與具有對(duì)稱浸潤(rùn)特性的疏水膜（M1）和親水膜（M2）相比表現(xiàn)出可轉(zhuǎn)換的油水分離特性，并且由于上下表面親疏水的協(xié)同效應(yīng)，可以產(chǎn)生較高的油水分離效率，對(duì)水包油和油包水的分離效率均可達(dá)97.5%。相轉(zhuǎn)化制備方法成熟簡(jiǎn)單，為Janus聚合物膜的大面積制備提供了解決方案。

圖3. (a)和(b)分別為疏水膜M1、Janus膜M4和親水膜M5的水下油滴和油下水滴的接觸角，(c)和(d)分別為對(duì)水包油和油包水的分離的通量和效率。

  以上相關(guān)成果發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces上（DOI: 10.1021/acsami.8b08278）。論文的第一作者為博士生李田田，通訊作者為劉富研究員。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.8b08278