疏水与亲水高分子之间的奇异吸附现象：以聚乙烯超薄膜和聚丙烯酸为例

疏水与亲水高分子之间的奇异吸附现象：以聚乙烯超薄膜和聚丙烯酸为例

在材料科学领域，精确控制材料的亲疏水性质是一项关键技术。例如，在电催化技术中，通常需要对亲水导电的碳纸进行疏水化处理；而在高分子材料功能化中，又常常需要将本质疏水的高分子基体转变为亲水性。然而，亲水材料和疏水材料在热力学上是不相容的，如同露水难以润湿荷叶。近年来，许多研究发现，某些亲水和疏水高分子之间在微观层面上却表现出异常高的相容性。

近日，四川大学高分子科学与工程学院傅强教授和李润莱副研究员团队开发了一种厚度仅为340 nm的超薄聚乙烯（PE）膜，作为非极性聚合物基材。这种超薄膜具有透明、坚固、超薄和高度孔隙化等独特物理性质。本研究以超薄聚乙烯（PE）膜为极性/非极性吸附研究的平台，通过在膜表面引入微量的聚丙烯酸（PAA），从微观（包括晶体和亚晶体尺度）到宏观（例如厘米级的机械强度和透明度变化）尺度全面分析了吸附行为，探索了极性/非极性吸附动力学的内在机制。

研究表明，PAA并未完全填充PE膜的孔隙，而是保持了膜表面的多孔结构，且随着PAA加载量的增加，膜的厚度仅轻微增加，直到达到一个平台值。在此基础上，使用TGA方法准确测定了吸附PAA的质量。研究发现，PAA的吸附层具有松散的结构，最终形成了高孔隙度和非均匀的吸附层。这些界面现象展示了PE膜表面复杂的相互作用，首次揭示了极性聚合物层在极性/非极性吸附过程中的高孔隙性特征。

通过PAA的吸附，PE膜从疏水性转变为两亲性膜，既具有亲水性又具有亲油性。改性膜具有四种不同的渗透模式，在空气中表现为两亲性，能同时让水和油通过；在液体环境中，可根据预湿液体选择性分离水和油，具有高度的适应性，能够满足不同应用需求。

本研究通过DSC深入了解了 PAA 影响下 PE 的热行为。FCC 和 ECC 之间的不同响应，FCC 对 PAA 浓度很敏感，这影响了其结晶温度和整体热行为。相反，ECC 表现出显着的稳定性，这与这两种晶体的形成机制及结构稳定性差异有关。

通过采用直接独立拉伸试验揭示了 PAA 如何改变超薄 PE 膜的机械性能。低浓度的 PAA 可增强延展性而不影响强度，而高浓度的 PAA 会因形成不连续的 PAA 聚集体而导致机械性能减弱。这种直接测量方法可以清晰地观察聚合物界面的机械相互作用，这种方法以前从未在此类情况下应用过。

本研究通过采用超薄聚乙烯膜，探索了极性/非极性吸附动力学的内在机制，并提出了一种创新的方法，能够直接表征界面现象。通过在这些膜的表面引入微量的聚丙烯酸，我们深入研究了主导吸附过程的熵驱动型疏水作用与耗竭作用。这种改性显著改变了聚乙烯的亲水性——接触角由132.2°降至37.0°，同时在极低PAA负载下保持了膜的微观结构完整性。该方法首次实现了界面的分离与直接表征，并通过称重、热循环和拉伸测试等手段，提供了对界面行为的全面理解。本研究不仅揭示了极性/非极性吸附界面的多项首次观察结果，还为聚合物膜的深入而稳定的物理改性提供了新的思路和方法。

相关成果以“Freestanding measurement of the polar/nonpolar adsorption interface for complete hydrophobicity switching in polyethylene nanofibrous membranes by trace poly(acrylic acid)”为题发表在《Polymer》上。文章第一作者为四川大学高分子科学与工程学院硕士生岳军衎和陈稀智，通讯作者为四川大学高分子科学与工程学院李润莱副研究员。

本文原文来自X-MOL