多孔超疏水分離膜3D打印工藝

供稿人:彭剛 田小永

近百年來，隨著工業(yè)文明的不斷發(fā)展，化工生產(chǎn)排放的含油污水及頻繁的原油泄漏事故給自然環(huán)境帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。不僅是人類生活所依賴的陸地河流，大面積的海洋區(qū)域也正面臨嚴(yán)重的污染問題。目前，多孔材料，如網(wǎng)格狀編織纖維、海綿、泡沫、多孔薄膜等，是解決油水分離難題的主要方案，其中多孔微濾薄膜憑借較高的分離效率和體積優(yōu)勢得到更多關(guān)注。然而傳統(tǒng)的薄膜制造過程中需要消耗、排放大量的有機(jī)溶劑，工藝自身就會(huì)造成一定的污染，面對(duì)以上進(jìn)退兩難的局面，急需發(fā)掘新的多孔薄膜制造工藝。

選區(qū)激光燒結(jié)(selective laser sintering, SLS)是3D打印技術(shù)中的一種粉床熔融成形工藝，粉末材料在燒結(jié)粘接過程中會(huì)形成固有孔隙，但以往SLS工藝研究聚焦于提高燒結(jié)的致密度，固有孔隙優(yōu)勢并未得到合理利用。比利時(shí)魯汶大學(xué)的研究者Yuan等人采用微米級(jí)聚砜(PSU)顆粒為原料，通過SLS成形單層多孔薄膜，如圖1，薄膜孔隙率可達(dá)30%，水接觸角為124°，已經(jīng)表現(xiàn)為良好的疏水性。

圖1多孔薄膜顯微圖（上、中、下依次為薄膜上表面、截面、下表面；M1、2為不同的工藝條件）
更進(jìn)一步，研究者通過簡單的浸漬法將蠟燭燃燒產(chǎn)生的碳煙包覆在多孔PSU薄膜的表面，獲得復(fù)合材料超疏水分離膜，水接觸角高達(dá)160°，如圖2a、b，水滴完全被薄膜排斥；同時(shí)薄膜具有極佳的親油性，油滴可以快速滲透到孔隙中，流向下表面，如圖2c。在分離實(shí)驗(yàn)中，油水分離效率超過99%。此外，研究者驗(yàn)證了復(fù)合材料分離膜具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，可以應(yīng)用于不同的酸堿環(huán)境中。

圖2 a)復(fù)合材料薄膜超疏水示意圖 b)水滴實(shí)驗(yàn) c)油滴實(shí)驗(yàn) d)不同液體的接觸角 e)不同液滴在薄膜上的形態(tài)
這種簡單、實(shí)用、高效的超疏水油水分離膜的制備方法不但充分發(fā)揮了3D打印技術(shù)的內(nèi)在優(yōu)勢，并且具有綠色友好的特點(diǎn)，如果能夠得到進(jìn)一步應(yīng)用，將對(duì)治理水污染和保護(hù)生態(tài)環(huán)境作出特殊貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：
Shushan Yuan, Dieter Strobbe, Jean-Pierre Kruth, et al. Super-hydrophobic 3D printed polysulfone membranes with a switchable wettability by self-assembled candle soot for efficient gravity-driven oil/water separation [J]. Journal of Materials Chemistry A, 2017, 5: 25401-25409.