转移印花被用于制备薄层复合膜 (J. Membr. Sci., 2023, 683, 121858)

自由界面聚合技术是合成超薄聚酰胺纳米薄膜的新兴手段，其为实现聚酰胺薄层复合膜分离性能的优化提供了有效途径。然而，如何大规模合成且无缺陷转移厚度低于5 nm的聚酰胺纳米薄膜是该技术现存的瓶颈之一，制约着复合膜性能的进一步突破。在本文中(如图1)，我们发展了一种集成策略，将甘油调节的自由界面聚合与转移印花复合技术耦合，实现了厚度小于5 nm聚酰胺薄膜的宏量制备和完整转移。

图1. (a)在正己烷-甘油水界面制备厚度低于5 nm且尺寸达A4纸大小的聚酰胺纳米薄膜。(b)基于贻贝仿生技术强化多孔基底的粘附性。(c)通过简便通用的转移印花复合技术将超薄聚酰胺纳米薄膜完整地与多孔基底复合。(d)超薄聚酰胺纳米薄膜可以完整地转移到多种基底表面。

 

我们利用正己烷-甘油水界面代替传统的正己烷-水界面作为自由界面聚合的场所，显著提高了反应界面的均匀性和稳定性，同时限制了单体的扩散，从而增强了界面聚合的可控性，实现了大面积、无缺陷的5 nm聚酰胺纳米薄膜的合成(如图2)。

图2. 哌嗪的(a)水溶液和(b)甘油水溶液刮涂在玻璃板表面2 min后液膜的铺展情况。(c)哌嗪的水溶液和甘油水溶液在玻璃板上的均匀程度随时间的变化。正己烷滴加在哌嗪(d)水溶液和(e)甘油水溶液表面0.396 s后塑料片的扩散情况。(f)正己烷滴加在哌嗪水溶液和甘油水溶液表面后塑料片的扩散距离与时间的关系。(g)在正己烷-甘油水自由界面合成的聚酰胺薄膜的厚度与甘油水溶液粘度的关系。(h)厚度为4.6 nm的聚酰胺薄膜转移到硅片上的AFM图像。

 

厚度为5 nm的聚酰胺纳米薄膜可通过转移印花技术完整地复合到多种多孔基底表面制得薄层复合膜。复合膜在1 bar的超低压力下，展现出十分优异的水渗透通量(53.2 L•m^-2•h^-1•bar^-1)和良好的脱盐率(RNa₂SO₄ = 97.3%)，水盐选择性超过大多数聚酰胺薄层复合膜(如图3)。

图3. (a)本工作中超薄聚酰胺薄层复合膜的分离性能与商品化纳滤膜及其它近期报道的聚酰胺薄层复合膜性能的比较。(b)本工作中超薄聚酰胺薄层复合膜的水盐选择性与近期报道的聚酰胺薄层复合膜的水盐选择性的比较。

 

本工作将“可控”自由界面聚合与转移印花复合技术相结合，为大面积超薄聚酰胺纳米薄膜的合成与转移提供了方法思路与技术手段，有望推动超薄纳米薄膜的规模化制备与实际应用。

 

相关成果以 “Sub-5 nm polyamide nanofilms combined with transfer-printing compositing for ultrafast nanofiltration”为题目发表在Journal of Membrane Science期刊。该文章共同第一作者为博士研究生李金博和朱城业博士，通讯作者为张超研究员，吴健教授，徐志康教授。该项工作得到了国家自然科学基金、浙江省自然科学基金和国家重点研发计划的资助。

 

 

DOI: 10.1016/j.memsci.2023.121858