通过悬浮电纺和PDMS光诱导接枝技术制备的疏水/亲油纳米纤维膜，用于油水分离

《Journal of Membrane Science》：Hydrophobic/oleophilic nanofibrous membranes for oil/water separation by suspension electrospinning and PDMS photo-induced grafting

油水分离的PDMS功能化橡胶纳米纤维膜制备及性能研究。通过悬浮电纺制备SBR基纳米纤维膜，采用光诱导硫化-烯烃反应实现交联和表面PDMS接枝，赋予膜稳定疏水（123°）和强亲油（<10°）特性。经20次过滤循环，分离效率达99.3%，油通量988 L·m?2·h?1，证实其适用于油污水处理。

　　随着工业化进程的不断加快，水污染问题日益严重，特别是油类污染物对水资源造成的威胁，已经成为全球环境治理的重要课题。油污不仅会破坏水体生态平衡，还可能对人类健康产生深远影响。因此，开发高效、环保且经济的油水分离技术，对于解决这一问题具有重要意义。近年来，膜分离技术因其良好的选择性、高效率以及操作简便等优点，成为油水分离研究的热点方向。其中，基于纳米纤维结构的膜材料因其高孔隙率、良好的渗透性和可调节的表面特性，展现出独特的应用潜力。

本研究提出了一种简单且高效的橡胶纳米纤维膜制备方法，用于油水分离。该方法通过悬浮电纺技术制备了苯乙烯-丁二烯橡胶（SBR）乳液纳米纤维膜，随后采用光诱导交联技术，确保其不溶性和形态稳定性，同时通过光诱导接枝技术赋予其持久的疏水性和亲油性。通过将含有硫醇基团的交联剂与含有烯丙基的聚二甲基硅氧烷（PDMS）单体结合，在光照条件下实现化学接枝反应，从而在纳米纤维表面形成稳定的PDMS层。这一方法不仅保留了纳米纤维的结构完整性，还通过优化接枝条件，提高了膜的表面性能。

SBR作为一种广泛使用的弹性体材料，具有优异的弹性和延展性，以及良好的耐磨性和回弹性。然而，其较低的玻璃化转变温度（Tg）限制了电纺工艺的应用，因为在常温下，SBR纤维容易发生冷流现象，导致纤维变粗和结构坍塌。为了解决这一问题，研究中引入了光诱导硫醇-烯点击反应，通过在SBR乳液中加入光引发体系和硫醇交联剂，在光照条件下快速形成交联网络，从而增强纤维的机械强度和结构稳定性。同时，这种交联方式不会破坏纳米纤维的形态，使得后续的水处理步骤能够有效去除模板聚合物（如聚环氧乙烷PEO），而不会影响最终膜的性能。

为了进一步优化膜的表面性能，使其具备选择性亲油疏水特性，研究中采用PDMS作为功能性试剂，通过硫醇-烯反应将其接枝到纳米纤维表面。PDMS是一种具有高度疏水性的聚合物，其低表面能和低温玻璃化转变特性使其成为理想的表面改性材料。通过调节PDMS溶液的浓度和浸泡时间，研究者发现5 wt.%的PDMS浓度和1分钟的浸泡时间能够实现最佳的接枝效果，使膜的水接触角稳定在123°，而油接触角则低于10°，显示出优异的亲油性和疏水性。此外，通过接触角测试和FE-SEM显微分析，确认了PDMS成功接枝到纳米纤维表面，且不影响其原有的结构特性。

膜的性能评估主要通过油水分离实验进行。实验结果显示，经过PDMS接枝的膜在油水混合物分离中表现出高达99.3%的分离效率和988.4 L·m?2·h?1的油通量，即使经过20次过滤循环，其性能依然保持稳定。这一结果表明，该膜在长期使用中具有良好的耐久性和重复使用性。此外，当用于油水乳液的分离时，虽然分离过程稍慢，但依然能够实现高达99.4%的分离效率，且油通量为529.9 L·m?2·h?1，显示出该膜在处理复杂油水混合体系中的适用性。

通过比较其他文献中报道的类似膜材料，可以发现本研究提出的PDMS接枝SBR纳米纤维膜在分离效率和通量方面具有竞争优势。例如，一些基于聚己内酯（PCL）或聚丙烯（PP）的膜材料虽然也实现了接近100%的分离效率，但其通量通常较低，且在多次循环后性能会有所下降。相比之下，本研究的膜不仅具有更高的通量，而且在20次过滤循环后依然保持高效分离能力，表现出更强的稳定性和耐用性。这种性能的提升主要得益于PDMS的化学接枝，使其在膜表面形成均匀且持久的疏水/亲油层，从而有效防止水分子的渗透，同时促进油类物质的通过。

本研究的创新点在于，通过结合悬浮电纺技术和光诱导化学接枝方法，实现了一种高效、低成本的膜材料制备工艺。这种方法不仅简化了传统膜制备过程中的复杂步骤，还避免了使用有毒试剂，从而提高了其环境友好性。此外，通过调控接枝条件，研究者能够灵活地调整膜的表面性能，使其适用于不同的油水分离场景。这种可调节性对于实际应用中处理不同种类的油污具有重要意义，因为不同油品的表面张力和化学性质可能有所不同。

从应用角度来看，PDMS接枝的SBR纳米纤维膜在油水分离领域展现出广阔前景。其高通量和高分离效率使得该膜在处理大量油水混合物时具有较高的可行性，同时其良好的结构稳定性和可重复使用性也降低了长期运行的成本。此外，该膜在处理油水乳液时同样表现出优异的分离能力，这表明其不仅适用于简单的油水混合体系，还能够应对更复杂的环境污染物。因此，这种膜材料在工业废水处理、海洋油污清理以及地下水修复等环保应用中具有重要的实用价值。

本研究的结果还为后续的膜材料开发提供了理论支持和技术参考。通过系统地研究硫醇-烯反应在膜表面改性中的作用，研究者不仅验证了该反应的可行性，还揭示了不同接枝条件对膜性能的影响规律。这些发现有助于优化膜的制备工艺，提高其在实际应用中的性能表现。此外，通过分析膜的表面化学组成和结构特征，研究者能够更好地理解PDMS接枝对膜性能的具体影响，从而为其他功能性膜材料的设计和合成提供借鉴。

综上所述，本研究成功开发了一种基于PDMS接枝的SBR纳米纤维膜，该膜在油水分离过程中表现出优异的性能，包括高分离效率、高通量以及良好的耐久性。通过悬浮电纺技术和光诱导交联与接枝工艺，实现了对膜结构和表面特性的精确调控，使其在实际应用中具有更高的适应性和稳定性。这一成果不仅为油水分离技术的发展提供了新的思路，也为环境治理和工业废水处理领域带来了具有实际意义的解决方案。未来的研究可以进一步探索该膜在不同油品和水体条件下的表现，以及如何通过优化工艺参数，进一步提升其分离效率和应用范围。