浙工大黄菲/温州大学薛立新JMS:自组装纳米花介导的界面聚合技术用于全热交换膜
浙工大黄菲/温州大学薛立新JMS:自组装纳米花介导的界面聚合技术用于全热交换膜
【导读】全球能源短缺和气候变化问题日益严峻，建筑行业作为能耗大户，其节能改造迫在眉睫。近日，浙江工业大学黄菲教授团队与温州大学薛立新研究员合作，在全热交换膜（THEMs）领域取得重要突破，开发出一种基于自组装纳米花的新型薄膜材料，为建筑节能和环境保护提供了新的解决方案。
背景介绍
全球范围内，能源短缺和气候变化已成为亟待解决的重大问题，其中建筑行业的能耗约占全球总能耗的36%，并产生30%的二氧化碳排放。全热交换器作为建筑节能的重要组件，能够通过空气对空气的全热交换过程，在显热（温差驱动）与潜热（水分子传递）之间实现能量回收，从而降低建筑空调系统的能耗。
全热交换膜（THEMs）作为核心材料，需同时具备高水汽渗透性和优异的气体阻隔性能。然而，传统薄膜材料在提升水汽渗透率的同时常伴随气体渗透的增加，难以突破这一性能权衡的瓶颈，限制了其在节能新风系统中的实际应用。因此，如何设计同时具备高水汽渗透率和强气体阻隔性能的全热交换膜，成为该领域的重大技术难题。
成果简介
针对上述问题，浙江工业大学黄菲教授团队联合温州大学薛立新研究员开发了一种基于自组装纳米花（P(AA-I)-NFs）的薄膜纳米复合（TFN）全热交换膜。研究中，通过精准调控纳米花的层内与层间孔道，提出了一种全新的界面聚合策略，引入“界面穿梭效应”来优化聚合反应深度和活性层形貌。
与传统聚酰胺薄膜相比，该膜显著提高了表面粗糙度和厚度，展现出更优异的水汽渗透性（656.59 GPU）、焓交换效率（71.47%）和CO₂阻隔性能（0.51 GPU）。这项研究成果突破了传统材料的性能权衡，为下一代高效节能新风系统关键膜材料研发的提供新思路。
图文导读
研究团队利用晶体驱动的自组装方法，通过聚（酰胺酸）分子段的内环化过程合成出高阶层叠的聚（酰胺酸-酰亚胺）纳米花（P(AA-I)-NFs）。通过调控溶液浓度、反应时间和结晶温度等条件，实现了纳米花层内和层间孔道的精准控制。这些纳米花是由二维纳米片组成的三维花状超结构，孔隙分布均匀且具有高热稳定性、化学稳定性和可控的酰亚胺化程度。
图1. (a) P(AA-I)-x-NFs的制备图，(b)直径分布曲线，(c) FT-IR光谱，(d) XRD图谱。
图2. P(AA-I)-x-NFs的纳米结构：(a) SEM图像，(b) TEM图像，(c) N2吸附-解吸等温线，(d)孔径分布，(e)孔径小于1.483 nm的孔体积。
通过将纳米花引入界面聚合过程，其层内微孔和层间孔道为单体的扩散提供额外路径，打破了传统界面聚合的自抑制效应。实验显示，P(AA-I)-NFs显著提高了单体的扩散深度和反应区域，生成更厚实、更粗糙的聚酰胺（PA）分离层。相比传统聚酰胺膜（厚度约242 nm），引入纳米花后的薄膜厚度增加到314-865 nm，且表面形成显著的“脊-谷”结构，提高了水汽传输效率。
图3. (a)界面层形成机理示意图：自抑制效应vs界面穿梭效应。(b) P(AA-I)-x-NFs/PA-2膜的截面SEM图像，(c)表面SEM图像，(d)三维SLM图像。
二氧化碳渗透性从PA薄膜的21.04 GPU降低到0.51 GPU，极大地抑制了气体交叉渗透，保障了室内空气质量。P(AA-I)-NFs/PA薄膜的水汽渗透率提升至656.59 GPU，相较于PA薄膜增加约17%。此外，薄膜的焓交换效率达到71.47%，温度交换效率达到97.48%，显著优于现有商业化膜产品。研究团队将所制备的P(AA-I)-NFs/PA复合薄膜性能与文献中其他代表性全热交换膜进行了详细对比。结果表明，该薄膜在气体屏障性和热交换效率上均大幅领先，展现了在高湿度和高温环境下的卓越适用性。此外，P(AA-I)-NFs的有机特性和可调控结构，使其适用于大规模薄膜制备，能够满足节能建筑中高效能量回收的需求。
图4. (a) CO₂透过性，(b)水蒸气透过性，(c) P(AA-I)- NFs/PA TFN膜CO₂阻隔性与水蒸气透过性之间的权衡关系。(d) P(AA-I)-NFs/PA TFN膜增强水透性、气体阻隔性和热交换性能的机制。(e) P(AA-I)-NFs/PA TFN 全热交换膜与文献中其他代表性成果的性能比较。
总结
本研究为探索具有可定制层内和层间通道的纯有机纳米填料用于构建高效能量回收全热交换膜（THEMs）开辟了新途径，并具有卓越的气体阻隔能力与热交换效率。相应成果以“Self-Assembled Nanoflower-Mediated Interfacial Polymerization through Tunable Intra- and Inter-layer Channels to Boost Total Heat Exchange Performance”为题发表在膜领域权威期刊《Journal of Membrane Science》上。