多喷嘴电喷雾辅助逐层打印技术实现聚电解质膜的大规模均匀制备

本文创新性地开发了10喷嘴电喷雾辅助打印系统，通过优化聚乙烯亚胺(PEI)/聚苯乙烯磺酸钠(PSS)的逐层(LbL)沉积工艺，解决了多喷嘴系统中泰勒锥(Taylor cone)偏转、液滴轨迹偏移等关键技术难题。研究发现喷嘴往复距离增至2倍间距可使93%区域沉积偏差控制在±20%内，沉积效率达95%，并首次制备出40×60 cm2的均质聚电解质多层(PEM)膜，其水通量9.8±1.3 L?m?2?h?1?bar?1，PEG(1000 Da)截留率47±7%，为规模化生产功能膜材料提供了新范式。

　　

亮点

多喷嘴电喷雾辅助打印为聚电解质多层(PEM)纳滤膜的高通量制备提供了革命性方案。本研究通过10喷嘴系统揭示了泰勒锥偏转与液滴轨迹的调控机制，创新性地采用双倍喷嘴间距的往复运动使打印均匀性提升至93%区域偏差<±20%，沉积效率高达95%。

泰勒锥与液滴分析

通过成像和多物理场模拟发现，中间喷嘴（1-10号）的泰勒锥偏转角<5°，而外侧0/11号喷嘴因库仑排斥产生15°外倾（图2a）。有趣的是，添加辅助电极后电场均匀性提升，液滴飞行轨迹偏差从±3.5 mm降至±1 mm，这解释了为何增大喷嘴往复距离能显著改善沉积均匀性——相当于让每个区域接受多喷嘴"交叉验证"式喷涂。

打印持续时间的关键影响

如同生物样本的脱水会破坏结构，我们发现超过1小时的打印会导致PAN基底自然干燥，使其水通量从初始的2100 L?m^?2?h^?1?bar^?1暴跌至1200（图4c）。这提示膜生产就像做手术，必须控制在"黄金时间窗"内完成。

多喷嘴电喷雾膜打印展望

虽然当前PEM膜的PEG截留率仅47%，但通过调节聚电解质浓度、层数等参数（就像调鸡尾酒配方），完全可定制出高性能膜。这套系统未来可拓展到抗菌膜、药物缓释膜等领域，为生物医学应用打开新天地。

结论

本研究像精准的分子手术刀，剖析了多喷嘴系统中泰勒锥偏转、液滴轨迹偏移等核心问题。通过"双倍间距往复"的巧思和严格的1小时时间控制，成功制备出2400 cm²的均质PEM膜，其性能偏差<15%，为规模化生产树立了新标杆。