随着社会经济的不断发展，油水分离在许多领域中已成为必不可少的过程，因此对于油水分离过程的低耗、高效、高速的要求也越来越高。近年来，具有特殊润湿性能（如超疏水或超亲油）的纤维膜材料引起了科学界的广泛关注，并得到了广泛应用。定向液体传输织物材料（也称“单向导液”，即液体在纤维膜厚度方向上的自发单向传输）是近年来新兴的智能材料，其在很多领域比如油/水收集、定向流体传输等领域有很好的应用前景。然而，现有的“单向导液”材料仅具备对特定液体的单向传输能力，如“单向导水”或“单向导油”，这就限制了这种材料在复杂油水混合物中的用途，如水油乳液等。如果一种织物材料可同时引导水和油自发的沿着相反的方向传输（这里被称作“双向导液”），将具备双向油水分离能力，可适用于更加复杂的分离环境。液体的双向传输也会大大提高分离速度和效率。目前由于缺乏基础理论的深入研究，“双向导液”材料迄今在国内外尚无报道。
近日，青岛大学周华教授和牛海涛教授团队在双向液体传输智能纳米纤维膜方面取得重大突破，相关研究成果以 “An intelligent nanofiber membrane with dual - asymmetric wettability enabling Spontaneous directional water and oil transportation in opposite direction” 为题，发表于期刊《Separation and Purification Technology》。该团队通过创新性地采用静电纺丝/静电喷涂技术与原位湿化学改性方法，精确调控纳米纤维层的润湿性，在膜厚度方向上沿相反方向成功构建了从疏水-亲水、从疏油-亲油两种润湿梯度，进而制备出具有双向分别输送水和油能力的改性聚丙烯腈（PAN）纳米纤维复合膜。这一成果为纳米纤维复合膜在微流体器件、液体操纵以及智能多孔膜等领域的应用开辟了广阔的发展空间。
图1：dDLTFS-PAN/PAN/SR-PAN纳米纤维复合膜的制备和纤维形貌。
研究团队运用原位湿化学改性与静电纺丝方法，依次制备了亲水-疏油聚丙烯腈（FS-PAN）、亲水-亲油聚丙烯腈（PAN）和疏水-亲油聚丙烯腈（SR - PAN）纳米纤维，成功制备出 dDLT 纳米纤维膜（图 1）。扫描电子显微镜（SEM）图像显示，SR-PAN、PAN、FS-PAN 这三种具有不同润湿性的纳米纤维膜表面形貌并无明显差异，仅在纤维直径上有所不同（SR-PAN平均直径为469 nm、PAN平均直径为330 nm、FS-PAN平均直径为757 nm）。值得关注的是，中间的亲水亲油 PAN 层纤维直径较细，它对FS-PAN侧的油向SR- AN侧的转移，以及SR-PAN侧的水的反向转移起着关键作用。
在制备三层 dDLT FS-PAN/PAN/SR-PAN 纳米纤维膜之前，团队还制备了双层 PAN/SR-PAN和FS-PAN/PAN纳米纤维膜，它们分别实现了定向输水（DWT）和定向输油（DOT）功能，这为深入研究和理解 dDLT 提供了重要的前期基础。PAN/SR-PAN复合膜的DWT性能：针对 PAN/SR-PAN复合膜的定向输水（DWT）性能展开深入研究（图 2），通过一系列实验，精确量化了其在不同条件下对水的输送能力和效率，为后续构建更复杂的双向输送体系提供了数据支撑。
图2：FS-PAN/PAN/SR-PAN纳米纤维复合膜的DWT性能研究。
FS-PAN/PAN复合膜的DOT性能：在研究FS-PAN/PAN复合膜的定向输油（DOT）性能时（图 3），团队全面分析了影响油传输的各类因素，揭示了该复合膜在输油过程中的内在机制，进一步完善了对液体定向传输的认知。
图3：FS-PAN/PAN/SR-PAN纳米纤维复合膜的DOT性能研究。
如图4所示，最终获得的FS-PAN/PAN/SR-PAN复合膜展现出令人瞩目的性能。水能够在10s内从SR-PAN侧向FS-PAN侧转移，而油无法传输；油则在32s 左右从FS-PAN侧向SR-PAN侧转移，水同样无法传输，并且对多种油均存在DOT行为。同时，具有dDLT的复合膜与仅具有DWT和DOT的双层复合膜的液体传输时间基本一致。这种集双不对称润湿性与水和油双向传输能力于一体的纳米纤维膜，代表了一种全新的智能材料概念，在之前的研究中从未被报道。
图4：FS-PAN/PAN/SR-PAN纳米纤维复合膜的dDLT性能探究。
制备的复合膜不仅在定向液体传输方面表现卓越，在油水分离领域也展现出极佳的应用前景（图 5）。当用于油水分离时，无论水/油混合物应用于哪一侧，水都会向亲水表面移动，油则向亲油表面移动。对于非混相的油/水混合物，以及油水乳液（水包油、油包水乳液），其分离效果均可达到99%以上。尤为重要的是，独特的三层结构和双不对称的油水润湿性梯度，使膜能够同步分离油/水混合物中的水（与 SR-PAN侧接触）和油（与FS-PAN侧接触），这一特性表明该膜在提高油水分离效率方面极具潜力。
图5：FS-PAN/PAN/SR-PAN纳米纤维复合膜用于油水分离应用。
这项研究成果为材料科学和分离技术领域带来了新的突破，有望推动相关领域的进一步发展和创新。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.seppur.2025.131873
人物简介：
周华教授：青岛大学特聘教授，博士生导师。2014 年在澳大利亚迪肯大学获得材料工程博士学位，先后担任迪肯校聘阿尔弗雷德博士后及研究员。目前，已在《Chemical Reviews》《Advanced Materials》《Advanced Functional Materials》《Materials Horizons》《Chemical Engineering Journal》等国际知名期刊上发表 SCI 论文 70 余篇，出版英文学术专著 1 部。其论文被引用次数总数超过 5600 次，H 指数达到 40。主要研究方向包括：功能纤维及纺织材料表面整理技术开发，健康防护纤维及纺织材料开发，功能纳米纤维材料开发与应用。
牛海涛教授：青岛大学特聘教授，2010 年获得澳大利亚迪肯大学材料工程博士学位，毕业后在迪肯大学前沿材料研究院从事静电纺纳米纤维方面科研工作。已在《Nano Energy》《Chemical Engineering Journal》《Materials & Design》《Advanced Fiber Materials》《Journal of Power Sources》等著名期刊上发表论文 80 余篇，引用次数超过 7700 次，H 因子为 44。已授权中国专利 22 项。主要研究方向为：静电纺纳米纤维中试及产业化装备开发与建造，先进纳米纤维制备技术，功能纤维材料应用研究（过滤、防护、能量收集与储存等）与产业化。
曹秋云：本文第一作者，青岛大学纺织服装学院在读研究生，目前以第一作者发表SCI论文1篇，合作发表发表SCI论文2篇，获2022-2023年校三等奖学金。主要研究方向为定向液体传输纤维材料、油水分离等。
