能够单向传输液体的纤维膜在油水分离、微流体以及液体净化 / 操控等领域展现出巨大的应用潜力。然而，这些材料仅具备将单一液体（即水或油）引导至目标表面的能力。一种能够将水和油分别引导至不同表面的纤维膜，即双向液体传输纤维膜，可提高分离效率并简化分离设备，但此前尚未见相关报道。研究团队采用静电纺丝 / 电喷雾结合原位湿化学改性法，制备出具有双不对称润湿性的纳米纤维膜。经研究，该膜可实现水油反向定向传输，在多种油水分离场景展现出具有突破性的高效性能。

一：研究摘要

本文通过静电纺丝 / 电喷雾技术与原位湿化学改性方法相结合，将具有不同润湿性的 PAN 纳米纤维复合，开发出一种新型纳米纤维膜，该膜对水和油均具有双靶向传输能力。所得膜的 SR-PAN 侧疏水亲油，FS-PAN 侧亲水疏油，中间层亲水亲油。通过调整纳米纤维层的润湿性，在膜的厚度方向上形成了两个相反方向的润湿性梯度，即从疏水性到亲水性，以及从疏油性到亲油性的梯度。这赋予了膜对水和油的双向传输能力，且传输方向相反。在用于油水分离时，无论油水混合物从哪一侧加入，水都会向亲水表面移动，而油则会向亲油表面移动。

二：核心研究内容

（1）具有特殊润湿性纳米纤维膜的制备

亲水性 - 亲油性 PAN 纳米纤维膜，利用多针头静电纺丝设备制备。溶液经 21G 针头，由注射泵以 0.8ml/h 流速挤出，施加 20kV 电压，用接地旋转滚筒（长 20cm、直径 8cm，转速 120rpm）收集；疏水性 - 亲油性 SR-PAN 纳米纤维膜，采用相同静电纺丝条件，纺 SR-PAN 溶液制得；亲水性 - 疏油性 FS-PAN 纳米纤维膜，通过同步静电纺丝 PAN 溶液和电喷雾 FS60 溶液制备，即先按上述条件纺出 PAN 纳米纤维，再将含 FS60 的电喷雾溶液以 5.0ml/h 速率装入注射器，接 10kV 电压喷嘴，用 40kPa 压缩空气泵将其喷到 PAN 纳米纤维上。

依次沉积 FS-PAN、PAN、SR-PAN 纳米纤维，制得集成三层纳米纤维膜，其两侧和中间润湿性不同。调整纺丝和喷雾参数，可获双不对称润湿性的双向液体传输膜。

此外，通过依次静电纺丝 PAN 和 SR-PAN 纳米纤维并调节时间，制得具有 DWT 特性的双层 PAN/SR-PAN 纳米纤维膜，其有从疏水到亲水的单一不对称润湿性。同样，调整静电喷涂 FS 量，依次沉积 FS-PAN 和 PAN 纳米纤维，可得具有 DOT 特性、从疏油到亲油单一不对称润湿性的双层 PAN/FS-PAN 纳米纤维膜。

（2）主要结果与发现

双梯度湿润性：该膜的一侧为疏水性 - 亲油性（SR - PAN 侧），另一侧为亲水性 - 疏油性（FS - PAN 侧），中间层为亲水性 - 亲油性（PAN 层）。从膜的一侧到另一侧，形成了两个相反方向的润湿性梯度：从疏水性到亲水性，以及从疏油性到亲油性。这种双梯度润湿性的形成是通过调整不同纳米纤维层的组成和结构实现的。例如，在制备过程中，向 PAN 中添加不同的物质，如添加 SR 获得疏水性 - 亲油性的 SR - PAN 纳米纤维，添加 FS60 获得亲水性 - 疏油性的 FS - PAN 纳米纤维。双梯度润湿性使得膜对水和油具有不同的亲和性，从而驱动水和油在相反方向上的定向传输。（图1b-d）。

图1（a-e）

双向液体传输机制（dDLT）：该集成纳米纤维膜能够使水和油在膜内沿相反方向自发定向传输。其原理基于膜的特殊结构，由具有不同润湿性的三层纳米纤维组成。当液体（水或油）接触膜时，受到多种力的作用，如拉普拉斯压力（LF）、重力（GF）、疏水力（HF）和疏油力（OF）。以油滴在膜上的传输为例，当油滴落在亲水性 - 疏油性的 FS - PAN 表面时，向上的疏油力无法完全支撑油滴，油滴穿透 FS - PAN 层到达亲水性 - 亲油性的 PAN 层，在 PAN 层，油滴在拉普拉斯压力和重力作用下继续向下渗透，直至到达疏水性 - 亲油性的 SR - PAN 层并停止。水的传输原理类似，但方向相反。这种独特的传输能力实现了水和油在膜内的高效分离和定向输送，在油水分离、微流体等领域具有重要应用价值。（图1e）

从疏水性到亲水性：在膜的结构中，从疏水性 - 亲油性的 SR - PAN 侧到亲水性 - 疏油性的 FS - PAN 侧，呈现出疏水性逐渐降低、亲水性逐渐增强的趋势。这种梯度变化使得水在接触膜后，能够自发地从疏水性区域向亲水性区域移动。当水与 SR - PAN 侧接触时，由于 SR - PAN 的疏水性，水不会轻易扩散和渗透，但在膜的内部力的作用下，水会逐渐向亲水性的 PAN 层和 FS - PAN 层移动，最终聚集在 FS - PAN 侧。这一特性在油水分离中，确保了水能够被有效地引导至特定的亲水表面，实现与油的分离

从疏油性到亲油性：从疏油性到亲油性的梯度与从疏水性到亲水性的梯度相反，是膜实现双向液体传输的另一个关键因素。从亲水性 - 疏油性的 FS - PAN 侧到疏水性 - 亲油性的 SR - PAN 侧，疏油性逐渐降低，亲油性逐渐增强。这使得油在接触膜时，会从疏油性的 FS - PAN 侧开始，在各种力的作用下，穿过亲水性 - 亲油性的 PAN 层，最终聚集在疏水性 - 亲油性的 SR - PAN 侧。在实际应用中，这种特性确保了油能够被有效地引导至亲油表面，与水分离，提高了油水分离的效率和效果。

多种类型的油水分离：该纳米纤维膜具备对多种类型油水混合物和乳液进行高效分离的能力。无论是轻油 - 水混合物（如大豆油 - 水）还是重油 - 水混合物（如氯仿 - 水），以及油包水乳液和水包油乳液，膜都能实现良好的分离效果。在分离过程中，利用膜的双不对称润湿性和双向液体传输能力，水和油分别向各自亲和的表面移动，从而实现分离。对于轻油 - 水混合物，将 SR - PAN 层置于顶部，水在亲水性的作用下穿过膜，而油则被阻挡在上方；对于重油 - 水混合物，将 FS - PAN 层置于顶部，油在亲油性的作用下穿过膜，水则被留在上方。膜对多种油水体系的高分离效率和通量，以及良好的耐久性，使其在油水分离领域具有广阔的应用前景（图2）。

图2

三：结论

本文研究团队成功开发了一种新型纳米纤维膜，该膜对水和油具有双靶向定向液体传输能力。据了解，在空气中同时具有 DOT 和 DWT 能力的纳米纤维膜鲜有报道。团队对这种膜在油水分离以及油包水或水包油乳液分离中的应用进行了研究，其对轻质油水的分离效率超过 94%，对重质油水的分离效率超过 98%。兼具 DWT 和 DOT 能力的纳米纤维膜在微流体装置、液体操控以及智能多孔膜等领域具有广阔的发展空间。

查阅链接：https://doi.org/10.1016/j.seppur.2025.131873