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、排放大量的有機溶劑，工藝自身就會造成一定的污染，面對以上進退兩難的局面，急需發(fā)掘新的多孔薄膜制造工藝。

選區(qū)激光燒結(selective laser sintering, SLS)是3D打印技術中的一種粉床熔融成形工藝，粉末材料在燒結粘接過程中會形成固有孔隙，但以往SLS工藝研究聚焦于提高燒結的致密度，固有孔隙優(yōu)勢并未得到合理利用。比利時魯汶大學的研究者Yuan等人采用微米級聚砜(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，獲得復合材料超疏水分離膜，水接觸角高達160°，如圖2a、b，水滴完全被薄膜排斥；同時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。在分離實驗中，油水分離效率超過99%。此外，研究者驗證了復合材料分離膜具有良好的化學穩(wěn)定性，可以應用于不同的酸堿環(huán)境中。

圖2 a)復合材料薄膜超疏水示意圖 b)水滴實驗 c)油滴實驗 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打印技術的內在優(yōu)勢，并且具有綠色友好的特點，如果能夠得到進一步應用，將對治理水污染和保護生態(tài)環(huán)境作出特殊貢獻。

參考文獻：
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.