Janus膜因其两侧的不对称润湿性而具有推动单向流体传输的拉普拉斯压力差。这种压力差由膜横截面的润湿性梯度产生，是流体传输的驱动力。为了增强这种驱动力，研究者通常通过降低亲水层的接触角或调整孔径大小来优化膜性能。然而，以往研究主要集中在接触角的改进，而对孔径尺寸的优化关注较少。本研究通过调整电纺丝参数，优化了亲水层（PAN）和疏水层（PVDF）的孔径尺寸，成功制备了具有最大拉普拉斯压力和优异单向流体传输性能的Janus膜。研究结果表明，通过减小亲水层孔径和增大疏水层孔径，可以显著提高膜的驱动力和流体传输效率。该研究填补了现有研究在孔径优化方面的空白，并为Janus膜的进一步发展提供了新的思路。

一：从材料到性能测试的严谨探索

实验选用聚丙烯腈（PAN）和聚偏氟乙烯（PVDF）为主要材料，搭配二甲基甲酰胺（DMF）、丙酮等试剂。制备 PAN 和 PVDF 纤维时，先将 PAN 溶解于 DMF，PVDF 溶解在 DMF 与丙酮混合液中，并添加 LiCl 增强导电性。利用Taguchi实验优化电纺条件，确定实验参数组合，在铝箔上采用两步电纺法制备 Janus 膜，精准控制各层厚度。

采用多种表征技术深入分析纤维和膜的性能。用旋转粘度计测量溶液粘度，扫描电子显微镜（SEM）观察纤维形态并结合 ImageJ 软件测定纤维直径和孔径，接触角测量仪通过悬滴法评估纤维表面亲水性，依据 Young - Laplace 方程计算拉普拉斯压力，借助气泡点测试（BPT）测定最大膜孔径。评估膜性能时，用数码相机记录液滴穿透速率，通过水柱实验测定临界突破压力，利用油水混合物进行分离实验，计算分离效率和水通量。

二、关键发现与性能突破

3.1 确定合适的聚合物浓度范围

聚合物溶液浓度对电纺纤维形态影响重大。实验发现，PAN 和 PVDF 聚合物溶液存在临界浓度点 C∗ 和有效重叠浓度 Ce 。浓度在 C∗<C<Ce 区间时，易形成珠状纤维；浓度高于 Ce （PAN 为 12 wt%，PVDF 为 14 wt%），在合适电纺条件下可制得无珠纤维；浓度过高（PAN 超过 18 wt%，PVDF 超过 20 wt%），溶液过黏，导致喷嘴堵塞和纤维成珠。确定合适浓度范围为后续实验调整纤维直径奠定基础。

图 1：聚合物溶液浓度与粘度及纤维形态关系图

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3.2 优化电纺工艺参数

Taguchi实验表明，聚合物浓度对 PAN 和 PVDF 纤维平均直径影响最大。浓度增加，纤维直径增大；流速增加，纤维变厚。据此确定获取最小和最大纤维直径的电纺最优条件。在最优条件下制备的纤维均为无珠纤维，PAN 纤维最小直径为 172±38 nm，最大直径为 991±99 nm；PVDF 纤维最小直径为 139±44 nm，最大直径为 1002±80 nm。同时发现，纤维直径增大，接触角和孔径也随之增加。

图 2：最优电纺条件下纤维的 SEM 图像

图 3：纤维类型对水接触角和膜孔径的影响图

3.3 最优 Janus 膜的筛选与性能评估

制备不同结构的 Janus 膜并测试液滴穿透速率，发现 JInOm 膜表现最佳。其亲水性 HIn 层毛细作用力强，疏水性 HOm 层对水的阻力小，总拉普拉斯压力最高（通过 SEM 图像分析计算为 205.60 kPa，气泡点测试为 197.4 kPa），液滴穿透速率达 0.83 µL/s。在单向水传输实验中，JInOm 膜临界突破压力在 HO 方向最低，HI 方向较高，整流比达 3.92，实现高效单向水传输。在油水分离实验里，JInOm 膜通量为 7.9×104L⋅m−2⋅h−1⋅bar−1 ，分离效率达 96.8%，循环测试显示其性能稳定。

图 4：Janus 膜的相关性能测试图

四、对比与展望

与其他研究相比，本研究合成的 JInOm 膜在未进行表面改性的情况下，仅通过优化电纺参数和调整孔径，拉普拉斯压力达到 205 kPa，是未改性类似膜的 2.66 倍。研究还确定了 Janus 膜各层的最优孔径范围，为实现大于 100 kPa 的拉普拉斯压力，亲水层孔径应小于 0.85 µm，疏水层孔径应大于 2.28 µm。这为后续 Janus 膜的研究和应用提供了重要参考，有望推动 Janus 膜在更多领域的发展和应用。

图 5：拉普拉斯压力与孔径、接触角关系的 3D 图

五、研究结论：Janus 膜研究的重要进展

本研究成功通过调整孔径最大化了 PVDF/PAN 电纺 Janus 膜的拉普拉斯压力。确定了电纺工艺的关键影响因素和参数范围，合成的 JInOm 膜在拉普拉斯压力、液滴穿透速率、单向水传输和油水分离等方面表现卓越。与以往研究对比，凸显了本研究方法的优势，同时明确了各层最优孔径范围，为 Janus 膜的进一步研究和应用提供了关键指导，有助于推动该领域的持续发展。

文章来源：https://doi.org/10.1016/j.seppur.2024.129116