DOI: 10.1016/j.seppur.2020.118246

多孔膜被广泛用于过滤领域，尤其是那些具有均一孔径和高机械强度的膜。在此，研究者开发了一个可编程的静电纺丝系统，并制备了由正交定向纳米纤维组成的多孔膜。与由无序纳米纤维组成的传统多孔膜相比，本研究所制备的多孔纤维膜具有更均匀的孔径和更强的机械强度。用PTFE纳米粒子对膜表面进行物理改性，得到了一种既具有大的水下油接触角又具有大的油下水接触角的滤膜。分层结构和表面性质之间的协同作用实现了水包油乳液和油包水乳液的高效分离。控制纤维膜结构的技术，结合纳米纤维表面改性的方法，为设计符合各种先进应用的新型纤维膜提供了一个很好的机会。

图1.具有受控分层结构的电纺纤维膜。（a）排列可控静电纺丝系统的示意图。在收集器上设计两对正交定向电极，电极之间用空隙隔开。分别在垂直于接地电极的平面（b）和沿接地电极的平面（c）内模拟电场矢量。（d）在四个电极平面内模拟的电场矢量。（e）单向排列纳米纤维的角分布。（f）单向有序纳米纤维沿两个正交方向逐层沉积的示意图。在静电纺丝过程中，纳米纤维沿接地电极单向排列，在两个电极对之间交替切换，从而形成周期性的正交定向纳米纤维堆积。（g）和（h）在不同的制备时间拍摄的纤维膜照片。（i）正交定向纳米纤维的光学和（j）SEM图像。

图2.PTFE纳米颗粒对纤维膜的表面改性。（a）表面改性的示意图。（b）在纤维膜和基材之间的空隙中填充一层薄薄的PTFE纳米颗粒悬浮液。在溶剂蒸发和硬烘烤后，纤维膜的表面修饰有PTFE纳米颗粒。（c）分别用0.31wt％、5wt％和10wt％PTFE纳米颗粒水悬浮液改性的纳米纤维的SEM图像。（d）随着更多的PFTE纳米颗粒粘附在膜表面上，水接触角增大。

图3.纤维膜分离乳液的性能。（a）从水中分离油乳液。该油为苏丹红色。乳液分离后，水溶液基本上是无色的。（b）用紫外-可见分光光度法测定了乳状液分离前（稀释20倍）和分离后油乳状液与水的分离效率为99.88％。（c）经同样的方法测定水乳液与油的分离效率为99.85％。（要解释此图例中对颜色的引用，请参阅本文的网络版本。）

图4.（a）乳状液流过纤维膜的示意图。这种正交定向纤维膜可以阻挡小液滴，从而分离乳液。（b）表面改性后浸没在油中的水滴和浸没在水中的油滴在有序纤维膜上的接触角。（c）穿过具有相同层和相同纤维总长度的正交定向和随机取向纤维膜的液流的流体动力学模拟。穿过正交定向纤维膜的速度场相对均匀，而通过随机取向纤维膜的一些大通道存在泄漏。

图5.正交定向纤维膜的力学性能，有助于在重复使用下保持较高的分离效率。（a）正交定向和随机取向纤维膜的应力-应变曲线。（b）和（c）分别为正交定向和随机取向纤维膜的应力-应变循环的滞后。（d）PTFE改性纤维膜对水包油乳液的分离效率随时间的变化，显示出优异的分离效率和再循环性能。