《AFM》：非平衡过程控制表面偏析，制备低成本双层非对称超滤膜

就化学组成、分子迁移率和构象而言，聚合物界面的性质不同于本体状态。尽管其体积比非常有限，但界面可能主导聚合物材料的整体功能性质。空气-聚合物界面(表面)对聚合物膜和膜尤其重要，因为它控制着与外部环境的相互作用。共混聚合物薄膜中的表面离析在理论研究和实际应用中都引起了人们的极大兴趣。目前已经提出了各种控制表面偏析的方法。然而，它们通常需要较长的退火时间才能达到热力学平衡。

来自美国康奈尔大学等单位的研究人员，描述了一种策略和原理验证实验，从混合的嵌段共聚物(BCP)/均聚物溶液中通过一次浇铸步骤控制在均聚物上的薄层嵌段共聚物(BCP)层的表面偏析。尽管BCP和均聚物组分的表面能几乎相同，但次要组分BCP(2-10wt%)的表面复盖率仍可实现。将浇铸的溶液浸入水中进行非溶剂诱导相分离(NIPS)，这是一种非平衡过程。固化双层超滤膜由位于不对称多孔均聚物亚结构上的薄层多孔BCP自组装而成。另一方面，本文成功实现BCP表面分离的关键是在仔细考虑溶剂表面能和聚合物-溶剂相互作用参数的基础上选择二元溶剂体系。此外，通过二价金属添加剂稳定BCP胶束结构也是必不可少的。该方法提供了一种低成本制备双层非对称超滤膜的方法，该膜基于均匀的双环戊二烯自组装的选择性顶面孔层，只需一次浇铸步骤即可完成。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202009387

图1.由SV BCP自组装的多孔表面分离层组成的双层膜的一步S²NIPS工艺，该膜位于由混合溶液浇铸而成的非对称PSF子结构的顶部。

图2.SV：(PSf+PVP)基于SV分数的二元混合S²NIPS派生膜示意图

图3.不同摩尔质量的PEGs的尺寸选择性渗透示意图

总的来说，本文描述了一种在非平衡过程中控制表面偏析的策略，该策略被用于制备双层NIPS衍生膜，该膜由BCP自组装衍生的表面分离层组成，在无序的非对称多孔均聚物亚结构上具有均匀的孔径。我们称之为表面剪切(S2NIPS)的工艺允许极少量的BCP(低至2wt%)显著改善分离应用中的膜性能，确保高通量和尺寸选择性分辨率。这一策略的关键是采用表面能非常不同的二元溶剂，每种溶剂分别优先被两种组成的聚合物中的一种吸附。

总体而言，本文所提出的策略提供了一种控制表面分离的方法，特别是在导致超滤膜的非平衡方法中。虽然本文通过这项研究成功地证明了其中的原理，但本文希望未来在溶剂选择或工程方面的改进将最终实现具有有序嵌段共聚物分离层的膜的全部潜力。这将进一步帮助表面剪接工艺通过大幅减少所需的BCP用量，同时保持相对于更具成本效益的纯均聚物为基础的NIPS膜更高的通量和分辨率，从而成为迈向基于BCP的超滤膜工业应用的重要一步。（文：SSC）