川大团队发现聚乙烯与聚丙烯酸间独特吸附现象，可制备智能油水分离膜
川大团队发现聚乙烯与聚丙烯酸间独特吸附现象，可制备智能油水分离膜
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。近日，四川大学高分子科学与工程学院傅强教授团队在这一领域取得重要突破，他们开发了一种厚度仅为340纳米的超薄聚乙烯（PE）膜，并发现通过在膜表面引入微量的聚丙烯酸（PAA），可以实现PE膜从疏水性到两亲性的转变。这一发现不仅揭示了极性/非极性高分子之间独特的吸附机制，还为开发智能油水分离膜等新型功能材料提供了新思路。
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
在材料学领域，精确控制材料的亲疏水性质是非常重要的技术。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。水火不容，类似地，“亲疏”也不相容——一般来说，亲水材料和疏水材料是无法直接简单的复合的，因为它们在热力学上就是不相容的，如同露水难以润湿荷叶。然而其实多年来，许多相互之间独立的研究都隐约感觉到：这种“不容性”在高分子领域和小分子体系很不一样。比如某些亲水和疏水高分子之间在微观层面上，相容性异常得高。本项研究以聚乙烯（PE）超薄膜和聚丙烯酸（PAA）为例，揭示了一种独特的极性/非极性高分子之间的吸附现象。通过在聚乙烯超薄膜上引入微量的聚丙烯酸，聚乙烯超薄膜的疏水性被“切换”为亲水性，但这是这篇文章最不重要的事情——我们真正关心的是，PAA为什么会和PE高度相容？它们是如何通过微弱的范德华力，建立如此稳定的物理吸附的？这篇文章中我们借助聚乙烯超薄膜，将长久以来难以实现的一系列表征得以实现，揭示出了这种独特的极性/非极性高分子之间相互作用的新机理。同时，我们给出了一种应用示例——一种智能的油水分离膜，既可以过水隔油，又可以过油隔水——取决于实际的场景需求。
这项工作不仅为亲水与疏水高分子之间的奇异吸附现象提供了更进一步的理解，而且为高分子材料的极性调控提出了新的精密定构加工方法。
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。
图2. 通过轮廓仪对 PAA/PE 膜进行厚度分析，根据 TGA 结果对 PAA/PE 膜进行质量分析
图3. PAA/ PE 膜的 AFM 高度图像
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。
图4. PAA/PE 智能分离器的多功能油水分离能力
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。
图 5. 通过 DSC 对熔融和结晶分析过程中 PAA/PE 界面的深入研究
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。
图6. PAA/PE 膜的机械强度
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。
原文链接：
Freestanding measurement of the polar/nonpolar adsorption interface for complete hydrophobicity switching in polyethylene nanofibrous membranes by trace poly(acrylic acid) - ScienceDirect