在应对能源危机和环境污染的过程中，膜分离技术凭借能耗低、操作简单和环境友好等优势发挥着重要作用。基于分离选择层与支撑基底的功能性复合膜结构，引起了学术界和工业界的广泛关注。由于兼具选择层的分离能力和支撑层的机械强度，复合膜已广泛应用于废水处理、气体分离、生物能源和医用材料等分离过程。然而，膜在长期操作过程中，选择层和支撑层易出现剥离等问题，损失膜性能、缩短寿命和增加膜成本；特别是在应对高温、高溶剂浓度或高固含物等极端条件时，层间界面粘附力极具挑战。

近日，北京化工大学秦培勇教授/曹鹏飞教授/司志豪副教授等人在Materials Horizons期刊上发表了最新论文“Design of PDMS/PAN composite membranes with ultra-interfacial stability via layer integration”。论文作者通过巧妙层间分子结构设计，在PDMS选择层和PAN支撑层之间引入化学共价作用，提出了一种可应对极端操作条件的超界面稳定性PDMS/PAN复合膜，该层集成的设计兼顾“光触发快速接枝”的理念，满足工业制备需求。该种复合膜在纳米划痕测试中表现出优异的界面稳定性，膜层损伤临界载荷达45.73 mN；长时间在高温（80 ℃）、高溶剂浓度（20 wt%）的极端条件下回收苯酚也展示出优异的稳定性，分离性能优于同类型膜材料。该层间结构设计为构造更多界面稳定的复合膜提供了独特的新策略。

1. 超界面稳定性复合膜的结构设计

本论文提出了一种简单有效的层间化学键合结构设计，通过简便的“光触发快速接枝”方法，在化学修饰的PAN支撑层上化学原位构筑PDMS选择层。如图1，PAN支撑层表界面经过水解、甲基丙烯酸缩水甘油酯功能化，与甲基丙烯酸酯基PDMS共聚，构建了超界面稳定性PDMS/PAN复合结构，强化了选择层与支撑层间的界面粘附力。

图1 层间结构设计

2. 超界面稳定性复合膜的结构表征

作者通过FT-IR、Solid State-¹H-NMR和SEM等确定膜化学结构与形貌。FT-IR结果显示，1635 cm^-1 的CONH₂特征峰证明PAN水解；GPAN-1在1635 cm^-1处的CONH₂特征峰面积小于HPAN-1，证明PAN与GMA发生反应。核磁结果显示，GPAN-1的特征共振出现在δ=6.19 ppm和5.72 ppm处，与GMA中甲基丙烯酸乙烯酯的化学位移（δ= 6.2-6.0和5.8-5.6 ppm）相吻合。膜的扫描电镜截面图表明，复合结构由上层PDMS和下层PAN支撑层组成，选择层厚度为6-7 µm。

图2 PDMS/PAN结构表征

3. 超界面稳定性复合膜的界面强度

作者通过纳米划痕测试评估了层间界面粘附性。结果表明，PDMS/GPAN-1的损伤临界负载L_C2为45.73 mN，是层间物理粘附PDMS/PAN的5.8倍，高于目前同类型选择层复合膜的先进水平，证实层间共价作用大大提升了界面结合强度。进一步，选择正庚烷、乙酸乙酯和四氢呋喃来评估PDMS抗溶胀能力，发现GPAN-1的溶剂溶胀度明显低于未改性PDMS/PAN，表明膜抗溶胀能力提升。

图3 PDMS/PAN界面强度

4. 超界面稳定性复合膜的分离性能

经条件优化后，PDMS/GPAN-1展现出更为优异的苯酚回收能力，分离因子和通量分别较PDMS/PAN提高了32.1% 和6.3%（1000 ppm，60 ℃）。结合实时红外表征和分子动力学模拟，表明独特的链包装与层集成结构使得PDMS/GPAN-1的渗透汽化性能优于其他PDMS基膜材料。进一步，通过测试膜在高溶剂浓度20 wt%和高温80℃条件下的长时间分离稳定性，证明层表界面展现出出色的耐受性。此外，通过自主设计的摩擦实验模拟酚类废水中固含物对膜层稳定性的影响，表明较未改性的复合膜，PDMS/GPAN-1性能相对稳定，其抗摩擦能力有所改善。同时，简便的光触发层集成策略具有良好的可扩展性，可实现膜大规模生产。

图4 PDMS/PAN分离性能

北京化工大学硕士生桑超为论文第一作者，北京化工大学秦培勇教授、曹鹏飞教授以及司志豪副教授为论文的共同通讯作者。