膜分離技術以其高效、經濟和易操作的優勢，被廣泛應用于水處理、油水分離和藥物制備等領域。然而，在處理油包水乳液時，傳統分離膜因其親油性易被油污染，導致膜孔堵塞和性能迅速下降，甚至失去分離功能。實現乳液分離的關鍵在于膜材料的滲透性、選擇性和穩定性。然而，高選擇性的膜往往難以兼顧長期穩定性，容易因油污染而導致性能下降。因此，開發具有優異抗污染性能的分離膜，是提升乳液分離效率與可持續性的核心技術挑戰。
鑒于此，福州大學賴躍坤、蔡偉龍和黃劍瑩教授等人通過相分離、光交聯制備了一種類液體聚合物涂層PS-PPS-PTF@ATP，表現出快速滲透性和高選擇性，同時保持自清潔性能，有效防止膜污染并確保持久的乳液分離和油品回收。
涂層的結構及設計原理
這種涂層通過軟性納米膠束和剛性交聯網絡的協同作用，為分離過程提供了高選擇性、滲透性、化學穩定性和機械穩定性。納米膠束(PTF@ATP)由聚(甲基-3,3,5-三氟丙基硅氧烷)和3-氨基丙基三乙氧基硅烷通過相分離和靜電吸附作用獲得，賦予涂層類液體防污特性。而由巰基功能化聚籠倍半硅氧烷與乙烯基封端聚二甲基硅氧烷點擊反應形成的交聯網絡(PPS)，則為涂層提供了優異的化學穩定性和選擇性。此外，聚苯乙烯（PS）的引入進一步增強了涂層與多種基底的附著力，使其具備廣泛的適用性。
圖1. 類液體聚合涂層的制備與表征
涂層的防污性能與機理分析
PS-PPS-PTF@ATP涂層的防污性能通過與其他材料（包括商業疏水性聚偏氟乙烯（PVDF）膜和過氟烷基化硅烷涂層（PFTS））進行對比評估。結果表明，盡管PFTS涂層的網格具有較高的疏油性和疏水性，但由于缺乏必要的選擇性，導致其在油水分離中的效果不佳。商業PVDF膜雖然具備一定的選擇性，但容易受到油污污染，并且疏水性迅速喪失，因此不適合長時間使用。相比之下，PS-PPS-PTF@ATP涂層在接觸高粘度油（如泵油和原油）時，能夠有效防止油污殘留，展現出其卓越的防污性能。因此，該涂層在油水分離條件下，會表現出比傳統膜更優異的穩定性。
圖2. 類液體聚合涂層的防污性能和疏水性能
PS-PPS-PTF@ATP涂層的防污機理主要來源于其“雙重防御”結構的設計。該涂層結合了軟性納米膠束（PTF@ATP）和剛性交聯網絡（PPS）的協同作用，有效降低了液體在表面的附著能。軟性納米膠束通過其低玻璃化轉變溫度和靈活的分子鏈段提供了液態滑移特性，減少了油類和水分子在涂層表面的附著，使污染物難以積聚。交聯網絡PPS則提供了涂層的機械強度和化學穩定性，增強了涂層在惡劣環境下的耐久性，防止了膜表面因長期使用而發生的損壞和污染積累。這種結構的結合使涂層具有卓越的抗油污粘附能力，并能夠在高粘度液體和腐蝕性環境中維持長時間的防污效果，有效提升了涂層的長期穩定性和使用壽命。
圖3. 類液體聚合涂層的防污機理
涂層的乳液分離性能
在乳液分離性能方面，PS-PPS-PTF@ATP涂層表現出優異的性能，特別是在處理高粘度油水乳液時。該涂層能夠有效地分離不同粘度的乳液，并能夠在長時間分離過程中保持高分離效率。涂層的優異性能還表現在其極低的分離通量下降率（RFD），在高粘度乳液分離過程中，涂層的分離通量下降幅度極小，即便在連續操作6 h后，依舊保持高透明度的濾液，證明其在長期使用中的穩定性和高效性。這些結果表明，PS-PPS-PTF@ATP涂層具備了長期有效分離高粘度乳液的能力，并在實際應用中具有廣泛的潛力。
圖4. 不同粘度的油包水乳液分離效果
總之，該研究報道了一種新型高效高粘度乳液分離方法，即構建雙防污結構化類液體聚合物涂層。該結構在表現出高選擇性和耐腐蝕性的同時，有效抵抗膜污染，能夠高效分離各種油包水乳化液，尤其是高粘度乳液（97.3 cP）。涂層在連續分離3 h后，分離效率保持在99.6%以上，此外，經過強酸、強堿、鹽及有機溶劑環境15 h浸泡后，涂層的分離效率依然超過95%。首次實現了6 h粘稠乳液的連續高效分離，通量穩定。這種創新的“雙防”策略顯著提高了涂層的穩定性和分離效率，有效解決了傳統疏水膜或篩分膜中出現的嚴重膜污染問題。這表明這種類液體涂層在乳液分離、油品凈化和回收應用中具有廣闊的潛力。
該工作以“Ultra-Antifouling Liquid-Like Surfaces for Sustainable Viscous Water-in-Oil Emulsions Separation and Oil Recovery”為題發表在《Advanced Materials》，文章第一作者是福州大學化工學院博士研究生鄭微微，通訊作者為福州大學賴躍坤教授，蔡偉龍研究員和黃劍瑩教授。該工作得到了國家自然科學基金（22375047、22075046和22378068）、福建省自然科學基金（2022J01568）、國家重點研發計劃（2022YFB3804905 和 2022YFB3804900）和111項目（D17005）等項目的資助。
原文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202413751
