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文献解析｜沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学科

学家研发生物基分子筛膜

近日，沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学物理工程与科学系的GyorgySzekely团队在AcsNano上发表了名为Biobased

InterpenetratingPolymerNetworkMembranesforSustainableMolecularSieving的文章，该论文专注于生物基融合网络膜的研

究，可持续的分子筛取也是其研究的重点。

研究背景

当前，有机溶剂纳滤（OSN）膜工艺在苛刻的有机介质中分子分离领域备受关注，不仅在化妆品、塑料等行业中大展身手，也为制

药、能源等领域带来了显著的效益。然而，值得注意的是，OSN膜的制造在选择可持续溶剂和材料方面仍然面临着相当大的挑战。其中，

大部分现有的OSN膜所使用的聚合物中，用以维持膜性能的交联剂具有惊人的毒性。由于交联剂是一种反应性物质，其可能表现出细胞

毒性、遗传毒性、诱变性和致癌性，对人类和环境都构成了潜在的威胁。因此，我们迫切需要一种由天然材料制成、不添加反应性物质

的耐溶剂膜来替代现有的OSN膜，以确保人类和环境的健康和安全。

设计思路

互穿聚合物网络（InterpenetratingPolymerNetworks，简称IPN）是一类由两种或两种以上自交联并在分子水平上相互交错的

聚合物系统组成的聚合物材料。此种材料表现出优异的性能，例如出色的机械强度、粘附性、耐热性以及优良的抗水性。尤其是，来自

于天然材料如琼脂糖和天然乳胶的IPN系统，被视为传统薄膜材料的一个具有前景的替代品，可广泛应用于涂料、包装和薄膜材料等领

域。

根据文献中对IPN系统的研究，我们发现，IPN系统，尤其是那些源自天然材料（BioIPN）的系统，能够适应于各种不同的使用环

境，如在裂缝型孔隙、缝洞发育段较多的油井中封堵裂缝或高吸水部位。特别值得注意的是，由琼脂糖和天然乳胶组成的IPN系统在裂

缝性碳酸盐岩底水油藏的施工中已经取得了成功，堵水后含水率由834%降低至25%，充分体现了IPN系统的卓越性能。

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在本研究中，我们利用琼脂糖的温度驱动的物理交联和天然乳胶的时间驱动的共价交联，成功地制备了一种互穿聚合物网络（IPN）。

这种IPN的性能优越，具有良好的机械强度、粘附性和抗水性。我们相信，这种IPN将会是未来涂料、包装和薄膜材料领域的一种有前

途的材料。

研究内容

文章使用扫描电子显微镜(SEM)对制备的BioIPN0的形貌进行了研究。SEM图像显示，该材料的横断面和顶部都呈现出纹理化的致

密微观结构。水接触角(WCA)的测量值为71°±1°，这意味着材料表面亲水性良好。原子力显微镜(AFM)的测量结果显示，BioIPN0的粗

糙度值(Ra)为138.75nm，这表明其表面具有一定的粗糙度。为了进一步研究BioIPN0的性质，我们进行了分子模拟。模拟结果显示，

BioIPN0的密度为1.38gcm−3，而分数自由挥发体积(FFV)为0.14。这表明，BioIPN0的分子间相互作用较强，具有一定的交联度。此

外，我们还研究了乳胶的添加对BioIPN0性质的影响。乳胶的添加赋予了系统更大的灵活性，这有助于在真空干燥时快速去除溶剂并产

生纹理化的膜。热重分析(TGA)结果显示，在小于450℃的温度下，BioIPN0表现出比琼脂糖更好的热行为，琼脂糖的失重量大于BioIPN0。

根据TGA结果，BioIPN0的玻璃化转变温度(Tg)对应的差示扫描量热(DSC)峰比原始琼脂糖高10℃。此外，BioIPN0的失重较低，这可

能归因于其机械稳定性高。衰减全反射傅里叶变换红外光谱(ATR-FTIR)表明，BioIPN0在1380cm−1