随着工业活动的快速扩张和海上溢油事件日益增多，大量含油废水和表面活性剂稳定的水包油 (W/O) 乳化液不断产生，对生态系统和人类健康构成了严重威胁 [1], [2]。与不互溶的油水混合物相比，由于表面活性剂稳定的微米和亚微米级水滴的存在，W/O 乳化液显著更难处理，这些水滴表现出对聚结和重力分离的强烈抵抗力。
膜分离技术因其高效、低能耗和连续操作能力，已成为乳化液处理最有前途的方法之一 [3]。超疏水/亲油膜因其能选择性渗透油而有效阻挡分散水滴，在 W/O 乳化液分离中引起了广泛关注。近年来，包括聚合物膜、碳基材料和无机膜在内的各种材料得到了广泛探索 [4], [5], [6]。然而，聚合物膜通常存在热稳定性和化学稳定性不足的问题，导致在高温或极端 pH 条件下结构降解和性能恶化 [7], [8]。虽然无机膜表现出优异的机械鲁棒性和环境耐受性，但其超疏水表面通常是通过低表面能材料的物理涂覆或弱吸附制备的，导致界面稳定性差、润湿性下降以及在苛刻操作条件下长期耐久性有限 [9], [10], [11]。
最近的研究进一步表明，仅实现高水接触角不足以确保高效稳定的乳化液分离 [12], [13]。相反，由润湿状态决定的界面附着力特性在控制液体传输行为方面起着决定性作用。特别是 Cassie-浸渍润湿状态，在这种状态下水部分渗透到表面微结构中同时被分级纹理固定，可以产生强烈的液滴附着力（所谓的“花瓣效应”），从而在动态过滤过程中有效抑制水通过膜孔渗透 [6], [8], [11], [14], [15]。然而，在 SiC/SiO2 陶瓷纤维膜上合理构建耐用的高附着力 Cassie-浸渍界面以及表面化学、接枝行为、润湿状态演变与分离性能之间的关系仍然知之甚少 [16], [17], [18]。
在各种无机膜材料中，碳化硅 (SiC) 因其优异的机械强度、热稳定性、化学惰性和抗氧化性而引起了广泛关注，使其成为苛刻条件下膜操作的理想基底 [13], [19]。然而，原始 SiC 表面在构建耐用超疏水膜方面仍存在两个主要局限性。首先，表面羟基密度相对较低限制了共价硅烷接枝的有效性。其次，相对光滑的纤维表面为建立稳定的超疏水润湿状态提供的分级粗糙度不足。这些内在局限性显著降低了表面改性的稳定性和长期分离性能。
纳米 SiO2 提供了一种克服这些缺点的有效策略。均匀分布的 SiO2 纳米颗粒不仅为随后的硅烷接枝产生了丰富的表面羟基，还创造了超疏水性所需的分级微/纳米级表面粗糙度。此外，SiC 和 SiO2 之间优异的化学相容性使得能够构建鲁棒的陶瓷骨架，同时保持 SiC 基底固有的热稳定性和化学稳定性 [20], [21]。因此，SiC/SiO2 复合纤维膜为构建具有同时增强的界面稳定性和表面粗糙度的耐用超疏水陶瓷纤维膜提供了一个理想平台 [11], [22], [23]。
为了进一步利用这些优势，必须将稳定的低表面能层牢固地锚定在富含羟基的 SiC/SiO2 表面上。使用有机硅烷进行共价接枝提供了一种有效的方法，因为稳定 Si-O-Si 键的形成与传统的物理涂覆疏水层相比显著增强了界面耐久性 [24], [25]。此外，调节接枝密度和反应动力学提供了定制润湿状态转变和优化界面附着力的机会。然而，接枝密度对从传统疏水性到高附着力 Cassie-浸渍润湿状态演变的影响很少被系统研究。
因此，在这项工作中，通过静电纺丝随后高温陶瓷化制备了一种分级 SiC/SiO2 纤维膜，并通过共价接枝辛基三乙氧基硅烷 (OTES) 进行了改性。系统研究了接枝密度和反应动力学对表面化学、形貌、润湿性和油水分离性能演变的影响。特别关注阐明共价聚硅氧烷网络调节高附着力 Cassie-浸渍润湿状态形成从而在苛刻条件下提高分离效率和长期耐久性的机制。这项工作为设计具有高界面稳定性的鲁棒超疏水陶瓷纤维膜以高效处理 W/O 乳化液提供了一种可行的策略。
