无溶剂3D打印技术开发阳离子交换膜：实现定制化表面形貌的创新路径

为解决电膜过程中膜污染和浓差极化等问题，研究人员采用无溶剂熔融沉积成型(FDM)3D打印技术制备了具有人字形和条纹结构的阳离子交换膜(CEMs)。通过磺化功能化获得电导率10.7±4 Ωcm2和选择透过性97.3±4%的膜，性能媲美商业膜FUMASEP FKB-PK-130。该技术将环境因子(E-factor)降至1.5，为电化学应用提供了可定制、可扩展的绿色生产方案。

　　

在工业脱碳战略背景下，电膜过程如电渗析(ED)和反向电渗析(RED)在海水淡化、锂回收等领域发挥关键作用。然而传统平板离子交换膜(IEMs)存在流体混合不足、传质效率低等问题，而现有异形膜制备依赖高成本的模压技术，且生产过程中产生大量有毒废水。针对这些挑战，LAQV-REQUIMTE（葡萄牙新里斯本大学科技学院化学系）的Mekhna Venu团队创新性地采用无溶剂熔融沉积成型(FDM)3D打印技术，通过精确控制磺化时间（14小时为最优），成功制备出表面具有人字形和条纹结构的阳离子交换膜(CEMs)。该研究成果发表在《Separation and Purification Technology》，为电化学应用提供了兼具高性能与环保特性的膜材料解决方案。

研究团队运用FDM 3D打印制备热塑性弹性体(TPE)基膜，通过氯磺酸/二氯乙烷溶液进行磺化功能化，采用X射线光电子能谱(XPS)分析化学结构，结合热电分析(TGA/DSC)和傅里叶变换红外光谱(FT-IR)表征材料特性，并通过定制电化学池测量膜的电阻和选择透过性。

3.1 膜制备与机械性能

3D打印的平板膜厚度精确控制在0.24mm，磺化后膨胀率仅4%。所有膜样品断裂伸长率达104%-435%，屈服强度超过1.87MPa，展现出优异的机械稳定性。

3.2 平板膜表征

3.2.1 含水率与接触角

磺化时间从2小时延长至24小时，使含水率从10%提升至90%，接触角由74°降至26°，证实磺酸基团成功引入并增强亲水性。

3.2.2 热分析

TGA显示三阶段降解：100°C水分蒸发、150-250°C脱磺酸、250-380°C苯环分解。DSC检测到130-160°C的玻璃化转变温度(T_g)。

3.2.4 电化学性能

14小时磺化的STPE14膜达到最佳性能：离子交换容量2.8 meq/g，电阻10.7±4 Ωcm²，选择透过性97.3±4%，优于回收商业膜（56 Ωcm²和65%）。

3.2.5 XPS解析

XPS谱图揭示14小时磺化膜仅含RSO₃H基团，而24小时样品出现167.5eV的R₂SO₂交联峰，证实过度磺化会导致磺酸基交联失效。

3.3 异形膜

人字形和条纹结构膜分别实现10.9±2 Ωcm²和12.2±2 Ωcm²的低电阻，选择透过性达80%以上。SEM显示硫元素均匀分布，钠/硫原子比接近1:1，证实有效离子交换位点形成。

该研究突破性地将FDM 3D打印与可控磺化相结合，首次实现复杂结构CEMs的绿色制造。通过阐明磺化时间对膜性能的影响机制（14小时为磺酸基团引入与交联副反应的临界点），为电膜过程提供了可定制、低环境足迹（E-factor=1.5）的解决方案。这种人字形/条纹结构膜可显著改善流体动力学，预计在海水淡化、锂提取等应用中将能耗降低8-14%。研究建立的"打印-功能化"技术路径，为下一代电化学膜材料的开发开辟了新方向。