光固化3D打印制备防结垢的分离膜

作者：杜鹏
来源：光固化新材料  

用于液体分离的膜材料得到越来越广泛的应用，包括从小规模的微流体设备到大规模的水处理和废物回收。而在膜的表面及内部所形成的材料累积所导致的结垢现象，是这一应用的最大挑战。结垢现象会导致通量降低，能耗增加及产品品质的降低，同时也会增加膜清理和膜更换的操作成本。在一个典型的超滤单元中，结垢问题带来的成本最多会占到总运营成本的50%。为了恢复膜的性能，常会使用酸性或碱性的清洗剂来弱化及清理污垢沉积物。这些化学清洗剂的频繁使用，不仅带来严重的健康和环境问题，同时也会影响到膜材料的持久性和完整性。因此，采用可持续的污垢消除或缓解方法来延长膜的使用寿命，同时减少水、化学品和能量消耗的方法就受到了特别关注。

采用对膜的表面性能进行化学或结构的改变来减缓结垢的方法得到了广泛的研究。对于膜表面进行化学改造的方法业界已经进行了广泛的测试，但当膜表面一旦结垢之后，防结垢层就会失去功能。而不使用化学品的对膜表面进行图案化的方法，可以在膜表面促进流体剪切应力，并在膜表面形成局部涡流，从而大大减少或减慢污垢的形成。

英国巴斯大学(University of Bath)的Y.M. John Chew等人创新性的把计算机建模和3D打印相结合的方式，来设计和制造防结垢的复合材料功能膜。这一方法首先用计算流体力学模拟设计出波纹状的支撑结构，在用工业级的多头3D打印机，使用UV固化的聚氨酯丙烯酸酯齐聚物来打印这个支撑材料。再将超滤聚醚砜选择性薄膜沉积到这个支撑材料上面，从而得到一个具有很好防结垢性能的复合材料渗透膜。

图1 复合材料渗透膜的制备流程示意图

环状支撑材料的多孔区域首先通过Autodesk Inventor Professional软件进行设计，得到所需要的孔径、孔距和孔数。通过OpenScad软件来设计波纹状结构，之后再对这两种结构进行叠加。

3D打印工艺完成之后，孔中所填充的氢化蜡材料被溶剂脱除，从而形成一个内部为多孔结构，表面为波纹状的支撑材料。再用非诱导相分离的方式来制作聚醚砜的选择性膜层，之后使用真空方式，将这个膜层复合到支撑材料上面。这种方式所得到的复合材料膜在膜表面形成了很高的剪切应力和局部涡流，从而大大减少了污物对于表面的吸附，同时增加了错流的清洁功能。

实验表明，这种复合材料膜的渗透恢复率和总渗透衰减比都得到了极大的提高。这种波纹状结构的防结垢性能远远好于平面结构的膜。在十次完整的循环测试之后，这种膜还能够保持初始渗透率的88%，所使用的清洁剂仅仅是水。采用这种特殊设计的波纹状表面结构的3D打印复合材料薄膜，可以完全替代用化学处理方法来制备具有很好防结垢性能的渗透膜材料。

参考资料
Mazinani, S., Al-Shimmery, A., Chew, Y. M. J., & Mattia, D. (2019). 3D Printed Fouling-resistant Composite Membranes. ACS Applied Materials & Interfaces. doi:10.1021/acsami.9b07764


作者简介
杜鹏，四川大学高分子硕士，香港科技大学MBA，曾在德国WHU商学院及墨西哥IPADE商学院学习。从事光固化行业20余年，曾先后在全球最领先的两家光固化企业任职，并曾从事技术、销售和管理工作。常在各种会议和论坛上作报告，并为在校大学生讲解光固化课程。现任润奥化工总经理。马拉松和铁人三项运动选手。