DOI: 10.1016/j.seppur.2020.118246
多孔膜被廣泛用于過濾領域，尤其是那些具有均一孔徑和高機械強度的膜。在此，研究者開發了一個可編程的靜電紡絲系統，并制備了由正交定向納米纖維組成的多孔膜。與由無序納米纖維組成的傳統多孔膜相比，本研究所制備的多孔纖維膜具有更均勻的孔徑和更強的機械強度。用PTFE納米粒子對膜表面進行物理改性，得到了一種既具有大的水下油接觸角又具有大的油下水接觸角的濾膜。分層結構和表面性質之間的協同作用實現了水包油乳液和油包水乳液的高效分離。控制纖維膜結構的技術，結合納米纖維表面改性的方法，為設計符合各種先進應用的新型纖維膜提供了一個很好的機會。
圖1.具有受控分層結構的電紡纖維膜。（a）排列可控靜電紡絲系統的示意圖。在收集器上設計兩對正交定向電極，電極之間用空隙隔開。分別在垂直于接地電極的平面（b）和沿接地電極的平面（c）內模擬電場矢量。（d）在四個電極平面內模擬的電場矢量。（e）單向排列納米纖維的角分布。（f）單向有序納米纖維沿兩個正交方向逐層沉積的示意圖。在靜電紡絲過程中，納米纖維沿接地電極單向排列，在兩個電極對之間交替切換，從而形成周期性的正交定向納米纖維堆積。（g）和（h）在不同的制備時間拍攝的纖維膜照片。（i）正交定向納米纖維的光學和（j）SEM圖像。
圖2.PTFE納米顆粒對纖維膜的表面改性。（a）表面改性的示意圖。（b）在纖維膜和基材之間的空隙中填充一層薄薄的PTFE納米顆粒懸浮液。在溶劑蒸發和硬烘烤后，纖維膜的表面修飾有PTFE納米顆粒。（c）分別用0.31wt％、5wt％和10wt％PTFE納米顆粒水懸浮液改性的納米纖維的SEM圖像。（d）隨著更多的PFTE納米顆粒粘附在膜表面上，水接觸角增大。
圖3.纖維膜分離乳液的性能。（a）從水中分離油乳液。該油為蘇丹紅色。乳液分離后，水溶液基本上是無色的。（b）用紫外-可見分光光度法測定了乳狀液分離前（稀釋20倍）和分離后油乳狀液與水的分離效率為99.88％。（c）經同樣的方法測定水乳液與油的分離效率為99.85％。（要解釋此圖例中對顏色的引用，請參閱本文的網絡版本。）
圖4.（a）乳狀液流過纖維膜的示意圖。這種正交定向纖維膜可以阻擋小液滴，從而分離乳液。（b）表面改性后浸沒在油中的水滴和浸沒在水中的油滴在有序纖維膜上的接觸角。（c）穿過具有相同層和相同纖維總長度的正交定向和隨機取向纖維膜的液流的流體動力學模擬。穿過正交定向纖維膜的速度場相對均勻，而通過隨機取向纖維膜的一些大通道存在泄漏。
圖5.正交定向纖維膜的力學性能，有助于在重復使用下保持較高的分離效率。（a）正交定向和隨機取向纖維膜的應力-應變曲線。（b）和（c）分別為正交定向和隨機取向纖維膜的應力-應變循環的滯后。（d）PTFE改性纖維膜對水包油乳液的分離效率隨時間的變化，顯示出優異的分離效率和再循環性能。
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