SIEPM团队《Macromolecules》前瞻综述：聚合物分离膜的表界面工程 — 身在何处，路在何方？

表界面工程是实现聚合物分离膜材料结构与性能精准调控的重要手段，对于拓展分离膜材料应用、提升服役性能具有重要意义。过去二十年里，聚合物膜表界面工程领域取得了一系列重要进展。作为这一领域的代表研究团队，浙江大学徐志康教授带领的聚合物分离膜及其表界面工程团队受Macromolecules期刊邀请，系统总结了近年来聚合物膜表面改性技术，分别梳理了多孔膜与薄层复合膜的表界面工程的研究进展，并展望了本领域的未来发展方向。相关前瞻综述以“Surface and Interface Engineering of Polymer Membranes: Where We Are and Where to Go”为题发表在近期出版的Macromolecule期刊上。

 

图1. 聚合物膜的表面和界面工程

本文首先回顾了传统的聚合物分离膜改性手段，并介绍了包括贻贝仿生沉积、原子层沉积、点击化学、液体门控膜等一系列最新膜表面改性技术。随后，针对多孔膜与薄层复合膜表界面工程的特点与应用需求，分别介绍了两类膜表界面工程的研究进展。

多孔膜表界面工程的研究兴趣展现出由均匀改性向非对称改性转变的特点。其中，Janus膜的兴起引发了大量有关Janus膜制备与应用的研究。其制备方法根据制备思路的不同，又可分为基于界面的制备策略与基于物理/化学梯度的制备策略；另一方面，不同应用对于Janus膜结构性质的需求也有所差异。

 

图2.均匀改性和不对称改性。（a）聚合物膜的均匀改性；（b）通过形成界面或梯度的策略不对称改性构建Janus膜。

 

图3.薄层复合膜的表面和界面改性。（a）传统的界面聚合方法；（b）选择性分离层的表面改性；（c）对基膜改性后实施界面聚合；（d）构建中间层后实施界面聚合。

 

图4.薄层复合膜制备过程中的界面调控。（a）传统的界面聚合体系；（b）使用共溶剂调控有机相的性质；（c）使用离子液体调控酰氯单体的扩散方向；（d）使用水凝胶存储控释水相胺类单体；（e）应用气–液界面合成聚酰胺分离层。

对于薄膜复合膜，研究兴趣则从传统的表面改性逐渐转移到界面工程。例如，传统研究主要关注对分离皮层的改性以提升膜的抗污染性，而最近的研究重点则转移到了对分离层的形成过程 — 即界面聚合微观过程的调控上，具体手段包括了对基膜表面性质的调控、构筑中间层以及对油-水界面的调控等。此外，对于非传统界面(如气-液、液-固界面等)反应体系的探索也是重要的发展方向。

最后，本文对本领域的未来进行了展望。例如，如何实现高表面无机覆盖率的有机-无机复合膜的工业化制备？如何协同利用表界面不同性质来提升分离膜性能？除了Janus膜，具有非均匀浸润结构的分离膜以及液体门控膜还有哪些应用？如何原位实时监测界面聚合微观反应过程？如何实现界面聚合物更为精准的调控等等。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.macromol.1c02647