[科普中国]-凝胶表面超铺展制膜

凝胶表面超铺展制膜是利用凝胶材料的软物质特性，在不互溶液体的限域环境中，克服液滴在凝胶表面铺展时三相接触线的滞后，实现了液体在凝胶表面的超铺展，并发展了一种普适性的制备功能高分子薄膜的方法。

凝胶凝胶是由一类由液相及包裹它们的高分子网络共同组成的软物质材料。不同于传统的固体材料，凝胶中液相的质量分数可以高达95%以上，因此凝胶这类软物质不但能像固体材料那样拥有固定的外部形状，而且还能作为一个准液态相，拥有类似于液体表面的性质。传统工业领域的高分子薄膜制备主要基于流延法、吹胀法、拉伸法等方法。这些方法通常损耗大，应用范围窄，并且难以用于纳米尺度薄膜的制备。

高分子薄膜制备旋转涂膜法旋转涂膜法是一种比较简单常见的方法，它是利用离心力的作用，使得液体在基板上铺展，从而可以得到比较均一的纳米尺度薄膜。旋转涂膜可以在硅表面进行也可以在具有亲和性的高分子表面进行。

浇筑法利用未改性的聚乙烯醇（PVA）为膜材料, 选择不同的添加剂和溶剂，采用浇铸成膜法，并经戊二醛溶液交联处理, 制备出超滤膜，该方法是将PVA、添加剂加热溶解在蒸馏水或DMSO中，制成铸膜液，在不同温度下过滤、恒温、静止脱泡，然后迅速在玻璃板上涂敷，放进含有硫酸钠的水浴中沉淀成膜，30min后，将膜放到戊二醛交联液中进行交联后处理，最终便得到了PVA超滤膜。

提拉法首先是通过无皂聚合制备 PS 球，用剥离纤维过滤，除去较大的团聚体，过滤后的母液静置备用。然后把一定量单分散的 PS 乳液加入一定量的水中，经过搅拌制备成一定的浓度的 PS 胶体溶液，将洗净的载玻片垂直匀速浸入 PS 溶液中，再以一定的提拉速度垂直向上提拉基板，并立即放入烘箱中干燥，最终得到一定厚度的基板。另外通过浸渍-提拉法也成功地制备了一些无机物纳米薄膜。1

研究背景为了实现液体的超铺展，关键问题是如何克服高分子前驱体溶液在基底上铺展时气/液/固三相接触线的滞后，从而实现完全浸润并形成厚度均匀可控的液膜。通常情况下，为了实现液体在固体表面的完全浸润，通常需要表面的结构化或者在铺展液体中引入表面活性剂。而对于传统的固体表面，这种三相接触线的滞后往往是不可避免的。北京航空航天大学刘明杰教授课题组利用凝胶材料的软物质特性，在不互溶液体的限域环境中，克服液滴在凝胶表面铺展时三相接触线的滞后，实现了液体在凝胶表面的超铺展，并发展了一种普适性的制备功能高分子薄膜的方法。2

实现原理

即使对高粘度的高分子溶液也可以实现快速均匀的铺展。当将反应物引入到液膜时，可以实现导电高分子薄膜、反渗透膜、不对称滤膜等多种功能性高分子薄膜的一步法合成制备(图)。

与传统工业领域的高分子薄膜制备方法相比，这一基于超铺展凝胶表面的高分子制膜方法，具有步骤简单、厚度从微米尺度到纳米尺度可控制备等优点。凝胶与不互溶的液相之间特殊的浸润性不但能够实现高分子溶液在凝胶表面的超铺展，而且这种特殊的浸润性环境还能对不同浸润性的高分子链进行取向诱导作用。

刘明杰教授课题组在水凝胶和不溶性硅油的界面成功制备了非对称的PAA-g-PVDF高分子膜。凝胶与油相的浸润性诱导作用，使高分子溶液内的亲水性PAA枝链与疏水性的PVDF主链发生了相反方向的取向排列，因此在制得的膜上下表面表现出亲疏水的差异，结合NaCl诱导的相转换过程，膜的上下表面表现出结构的非对称。这种结构的非对称与表面浸润性的不对称性共同作用，导致了PAA-g-PVDF高分子膜两面非对称的水穿透压，能够实现高效的单向水通过控制能力。2

本词条内容贡献者为:

陈红 - 副教授 - 西南大学