北京
▲揭示经典非溶剂诱导相分离成膜理论新机制（视频来源：中国科学院大连化学物理研究所）
在膜材料工业领域，非溶剂诱导相分离是一项不折不扣的“经典技术”。自诞生至今，这套制膜方法已经沿用了超过60年，家用净水滤膜、工业分离膜、储能电池隔膜等众多产品，都依靠它来制备。可就是这样一项成熟普及的工艺，其内部孔洞的形成机理却始终没有厘清。
近日，中国科学院大连化学物理研究所科研团队在这一领域取得进展。基于前期理论基础，进一步解开了大孔洞和细胞状孔两类核心孔结构的成因，并基于新理论制备出了性能优异的储能用超薄膜材料。
▲研究揭示经典非溶剂诱导相分离成膜理论新机制
01
经典工艺的未解难题
非溶剂诱导相分离的原理并不复杂：将溶解好的聚合物溶液浸入水等聚合物的不良溶剂（即非溶剂）中，溶剂与非溶剂会发生相互扩散，原本溶解的聚合物随之逐渐析出固化，最终形成带有多孔结构的膜。
▲非溶剂诱导相分离方法及孔结构形成机制
但看似简单的过程里，藏着十分复杂的结构演化。成膜过程中，膜内部会同时生成多种截然不同的孔结构：既有尺寸较大、类似于手指或者鸭梨形状的大孔洞；也有均匀密集的细胞状小孔，形成类似于海绵的结构。这些孔结构如同丝瓜藤与肉豆须般盘根错节地交织生长，彼此牵连缠绕，很难单独剥离出来、追踪每一种孔的完整形成过程。
正因如此，科研界长期以来对成孔机制的认识始终不够完全清晰。想要制备具有特定孔结构、特定性能的膜材料，大多依赖经验试错，难以实现精准的定向设计。
02
成膜过程“拆分解码”
要厘清成孔机理，首要任务是把耦合的成孔过程“解耦”。为此，研究团队专门优化设计了观测装置，相当于为成膜过程加上一双精确控制的“机械手”来调控流体流动速度，进而控制大孔洞的形成和消失，从而成功将大孔洞与细胞状孔的形成过程分离开，得以分别研究其内在机制。
研究结果显示，常被归属于相分离速率差异所形成的两类孔结构，实际形成的底层逻辑完全不同。
大孔洞的本质是流体力学失稳的产物。就像水流冲击液面时会引发界面波动一样，在非溶剂与聚合物溶液的接触界面上，非溶剂的冲击诱发界面失稳，最终推动大孔洞的生长。只要调控好界面的流动形态，就可以主动实现大孔洞的生长或抑制。
而细胞状孔的形成则由热力学作用驱动。这一过程更类似油水混合后自发分层的现象：当溶剂与非溶剂扩散到临界状态时，体系会自发分离为富聚合物相和富溶剂相，固化后便形成了细胞状的小孔结构。团队还进一步建立了定量关联模型，通过关键热力学参数Ev，就能精准预测细胞状孔的密度。
在消除了大孔洞带来的干扰与不均匀性后，研究团队也得以更准确地揭示成膜速度与分子扩散过程的内在联系，让过去模糊的成膜规律变得清晰。
03
理论催生高性能薄膜
机理的突破最终服务于材料性能的提升。基于这套新的理论认知，研究团队成功制备出厚度仅2.7微米的自支撑超薄聚合物多孔膜——这一厚度大约只有普通人头发丝直径的三十分之一，且薄膜本身具备完整的自支撑强度。
这款超薄薄膜在液流电池储能场景中展现出了优异的性能。研究团队将其应用于全钒液流电池，这是一种在大规模储能领域优选的技术路线之一，而膜正是决定电池效率与寿命的核心部件。测试结果显示，该超薄膜的性能优于商用的全氟磺酸膜。
这项研究不仅为沿用60年的经典相分离理论补充了新的认知，更为多孔膜的定向设计提供了理论依据。
未来，科研人员可以根据不同应用场景的需求，精准调控孔道结构，制备出更适配的高性能膜材料，为水处理、生物医药、新能源储能等多个领域提供支撑。
来源：中国科学院大连化学物理研究所
责任编辑：曹旸
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