3D打印膜的可调控物理化学特性：共聚与微图案化技术实现性能精准定制

推荐：为解决传统3D打印膜脆性高、性能单一的问题，丹麦奥尔堡大学团队通过光聚合诱导相分离（VPP-PIPS）技术，开发了羟基乙基甲基丙烯酸酯（HEMA）与聚氨酯丙烯酸酯（PUA）共聚体系。研究实现了膜热稳定性（260°C→345°C）、拉伸强度（1.95→21.20 MPa）和接触角（44.3°→136.8°）的梯度调控，为膜蒸馏（MD）和抗污染应用提供了新材料范式。

　　

在膜分离技术领域，传统制造方法难以兼顾复杂几何结构与性能调控。尤其3D打印膜因光固化树脂（如丙烯酸酯）的高交联特性导致脆性大，且功能单一，限制了其在高温分离（如膜蒸馏）和抗污染场景的应用。更棘手的是，现有技术无法同步调控孔隙率、机械强度和表面润湿性——这些恰恰是决定膜性能的核心参数。

针对这一难题，丹麦奥尔堡大学（Aalborg University, Denmark）膜技术中心的研究团队在《Journal of Membrane Science》发表了一项突破性研究。他们创新性地将光聚合诱导相分离（VPP-PIPS）与共聚技术结合，通过调控羟基乙基甲基丙烯酸酯（HEMA）、叔丁基丙烯酸酯和聚氨酯丙烯酸酯（PUA）的配比，实现了从分子结构到宏观性能的全链条设计。

研究采用三大关键技术：一是通过商用MSLA打印机（Creality ld-002H）进行光固化成型，层高50μm，紫外曝光8秒/层；二是利用毛细管孔隙仪和扫描电镜（SEM）定量分析孔径分布（46-171 nm）与形貌特征；三是结合热重分析（TGA）和拉伸测试评估热稳定性与机械性能，并通过激光共聚焦显微镜表征微柱拓扑结构（70μm直径/间距）对接触角的提升效果。

3.1. 聚合物组成
傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）证实HEMA与PUA成功共聚，特征峰（3416 cm^-1的-OH与1534 cm^-1的-NH）随配比梯度变化，为性能调控奠定化学基础。

3.2. 膜特性
孔隙率（0.65→0.47）和平均孔径（171→46 nm）随PUA含量增加而降低，导致水通量从180 LMH/bar骤降至0.52 LMH/bar。但SEM显示所有膜均呈现典型相分离结构，证实VPP-PIPS工艺的普适性。

3.4. 物理化学特性
热稳定性提升显著：10%失重温度从260°C（F0）升至345°C（F100）。力学性能方面，PUA的引入使断裂应力提升10倍（1.95→21.20 MPa），杨氏模量增长6倍（1.89→13.03 MPa）。更惊艳的是接触角调控：通过替换HEMA为叔丁基丙烯酸酯，接触角达108.8°；结合70μm微柱拓扑结构，进一步增至136.8°，创下3D打印膜的超疏水纪录。

这项研究的核心价值在于打破了材料性能的“跷跷板效应”——传统方法难以同时提升强度、耐热性与疏水性。团队通过分子设计（共聚单体选择）与微纳制造（拓扑构筑）的协同，首次实现了3D打印膜性能的“全参数菜单式定制”。特别是136.8°的超疏水表面，为无PFAS（全氟烷基物质）的绿色膜蒸馏技术开辟了新路径。此外，21.2 MPa的拉伸强度已接近商用聚丙烯（PP）膜水平，而345°C的热稳定性远超常规聚偏氟乙烯（PVDF）膜，展现出在高温废水处理领域的应用潜力。

未来，通过优化打印精度（如采用双光子聚合技术）和开发新型树脂体系，该方法有望拓展至纳滤（NF）甚至反渗透（RO）膜制造，推动3D打印从“形状定制”迈向“性能定制”的新纪元。