凝膠表面超鋪展制膜

凝膠表面超鋪展制膜是利用凝膠材料的軟物質特性，在不互溶液體的限域環境中，克服液滴在凝膠表面鋪展時三相接觸線的滯後，實現了液體在凝膠表面的超鋪展，並發展了一種普適性的製備功能高分子薄膜的方法。

基本介紹

• 中文名：凝膠表面超鋪展制膜
• 外文名：Super spread film on gel surface
• 所屬學科：材料科學
• 特性：凝膠材料的軟物質特性
• 套用：高分子薄膜製備
• 優點：步驟簡單、可控

凝膠

凝膠是由一類由液相及包裹它們的高分子網路共同組成的軟物質材料。不同於傳統的固體材料，凝膠中液相的質量分數可以高達95%以上，因此凝膠這類軟物質不但能像固體材料那樣擁有固定的外部形狀，而且還能作為一個準液態相，擁有類似於液體表面的性質。傳統工業領域的高分子薄膜製備主要基於流延法、吹脹法、拉伸法等方法。這些方法通常損耗大，套用範圍窄，並且難以用於納米尺度薄膜的製備。

高分子薄膜製備

旋轉塗膜法

旋轉塗膜法是一種比較簡單常見的方法，它是利用離心力的作用，使得液體在基板上鋪展，從而可以得到比較均一的納米尺度薄膜。旋轉塗膜可以在矽表面進行也可以在具有親和性的高分子表面進行。

澆築法

利用未改性的聚乙烯醇（PVA）為膜材料, 選擇不同的添加劑和溶劑，採用澆鑄成膜法，並經戊二醛溶液交聯處理, 製備出超濾膜，該方法是將PVA、添加劑加熱溶解在蒸餾水或DMSO中，製成鑄膜液，在不同溫度下過濾、恆溫、靜止脫泡，然後迅速在玻璃板上塗敷，放進含有硫酸鈉的水浴中沉澱成膜，30min後，將膜放到戊二醛交聯液中進行交聯後處理，最終便得到了PVA超濾膜。

提拉法

首先是通過無皂聚合製備 PS 球，用剝離纖維過濾，除去較大的團聚體，過濾後的母液靜置備用。然後把一定量單分散的 PS 乳液加入一定量的水中，經過攪拌製備成一定的濃度的 PS 膠體溶液，將洗淨的載玻片垂直勻速浸入 PS 溶液中，再以一定的提拉速度垂直向上提拉基板，並立即放入烘箱中乾燥，最終得到一定厚度的基板。另外通過浸漬-提拉法也成功地製備了一些無機物納米薄膜。

研究背景

為了實現液體的超鋪展，關鍵問題是如何克服高分子前驅體溶液在基底上鋪展時氣/液/固三相接觸線的滯後，從而實現完全浸潤並形成厚度均勻可控的液膜。通常情況下，為了實現液體在固體表面的完全浸潤，通常需要表面的結構化或者在鋪展液體中引入表面活性劑。而對於傳統的固體表面，這種三相接觸線的滯後往往是不可避免的。北京航空航天大學劉明傑教授課題組利用凝膠材料的軟物質特性，在不互溶液體的限域環境中，克服液滴在凝膠表面鋪展時三相接觸線的滯後，實現了液體在凝膠表面的超鋪展，並發展了一種普適性的製備功能高分子薄膜的方法。

實現原理

即使對高粘度的高分子溶液也可以實現快速均勻的鋪展。當將反應物引入到液膜時，可以實現導電高分子薄膜、反滲透膜、不對稱濾膜等多種功能性高分子薄膜的一步法合成製備(圖)。

與傳統工業領域的高分子薄膜製備方法相比，這一基於超鋪展凝膠表面的高分子制膜方法，具有步驟簡單、厚度從微米尺度到納米尺度可控制備等優點。凝膠與不互溶的液相之間特殊的浸潤性不但能夠實現高分子溶液在凝膠表面的超鋪展，而且這種特殊的浸潤性環境還能對不同浸潤性的高分子鏈進行取向誘導作用。

劉明傑教授課題組在水凝膠和不溶性矽油的界面成功製備了非對稱的PAA-g-PVDF高分子膜。凝膠與油相的浸潤性誘導作用，使高分子溶液內的親水性PAA枝鏈與疏水性的PVDF主鏈發生了相反方向的取向排列，因此在製得的膜上下表面表現出親疏水的差異，結合NaCl誘導的相轉換過程，膜的上下表面表現出結構的非對稱。這種結構的非對稱與表面浸潤性的不對稱性共同作用，導致了PAA-g-PVDF高分子膜兩面非對稱的水穿透壓，能夠實現高效的單向水通過控制能力。