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专题

高性能膜材料

在资源约束加剧与环境污染治理需求升级的双重驱动下,高性能膜材料作为物质分离与能量转化的核心载体,正成为支撑清洁能源、水安全、碳中和等全球战略的关键技术。从海水淡化到气体分离,从锂离子电池隔膜到人工器官界面,膜材料的性能突破直接决定了相关领域的工艺极限与应用边界。本期专题期刊聚焦高性能膜材料的创新前沿,旨在为学术界与产业界搭建跨学科交流平台,探索材料科学与工程技术的融合路径。

当前,高性能膜材料的研究正经历从结构调控到功能集成的范式转变。在水处理领域,纳滤膜通过孔径精准调控与表面电荷修饰,实现了对微量污染物的高效截留;反渗透膜的抗污染设计与低能耗化改性,则推动了海水淡化技术的规模化应用。在能源领域,固态电解质膜凭借其高离子选择性与热稳定性,为锂金属电池的商业化提供了安全保障;质子交换膜的质子传导机制优化与耐久性提升,成为燃料电池性能突破的关键。此外,二维材料(如石墨烯、MXene)的层间通道工程、MOFs/COFs的孔道功能化修饰,以及仿生膜的智能响应设计,正开辟着分子筛分与物质传输的新纪元。

然而,高性能膜材料的产业化仍面临多重挑战。如何通过分子模拟与机器学习加速膜材料的理性设计?如何解决聚合物膜的“trade-off”效应(渗透性与选择性矛盾)?如何实现无机膜的柔性加工与缺陷控制?这些问题已成为当前研究的焦点。

本专题期刊汇聚了国内膜材料领域的最新成果,涵盖膜材料开发、分离机制解析、环境应用等方向。希望通过交流碰撞,揭示膜材料性能优化的深层机理,探索从实验室到工业化的转化路径,为构建资源节约型与环境友好型社会提供关键材料支撑。

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  • 全选
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  • 研究与开发
    毛胜平;汪红;刘瑞;汤俊;李雪萍;丁桂甫
    . 2010, 41(02): 47-0.
    Baidu(27)
    利用LIGA或UV-LIGA技术制备的镍,特别适合作为微器件的结构材料。材料的力学性能在微器件的仿真设计和实际使用中起到重要作用。本文主要利用常规的力学试验机和自行搭建的微拉伸平台,通过单轴拉伸方法测试了电流密度为20mA/cm2的UV-LIGA镍薄膜的力学性能。三种测试方法的结果呈现了一致的规律性变化——杨氏模量显著降低,强度显著提高,表明UV-LIGA镍具有与块体镍显著不同的力学性能。通过X射线衍射分析(XRD),测量了该电流密度下试样的择优取向和晶粒尺寸,通过场发射扫描电镜(SEM)观察了试样的表面形貌和拉伸断口,并初步地分析了UV-LIGA镍力学性能的变化原因。该测试结果为微器件的仿真设计提供了重要的参考依据。
  • 研究与开发
    李秋俊;冯世娟
    . 2010, 41(10): 28-0.
    对蓝宝石衬底上生长的一系列AlxGa1-xN薄膜进行了椭圆偏振光谱研究,得到了薄膜的厚度以及245-1000nm的光学常数;通过有效介质模型计算出Al组分;随着Al组分的增加,折射率n下降,吸收边蓝移,与透射光谱结果一致。
  • 研究与开发
    刁显珍
    . 2011, 42(S2): 40-0.
    Baidu(13)
    采用溶胶凝胶法,以钛酸丁酯[Ti(OC4O9)]4为原料,乙醇为溶剂,冰醋酸为抑制剂,制备了二氧化钛薄膜,同时以硝酸镧和硝酸镍为掺杂物制备了单掺、共掺的二氧化钛薄膜,研究了其可见光吸收性能和光催化降解性能。实验表明:掺杂后的二氧化钛薄膜在可见光区仍有明显吸收,掺镧的二氧化钛薄膜对亚甲基蓝降解效果较好,光催化降解率达到76.54%。
  • 研究与开发
    张增志
    . 2011, 42(03): 27-0.
    Baidu(2)
    本文提出了一种用于荒漠化地区固沙植草的新材料技术。以OP-10、吐温20和吐温80为乳化剂对可完全降解的废弃植物油乳化,然后对取自荒漠化地区流沙下层的细土质憎水改性,最后配以草籽,混合均匀制成土质憎水改性固沙植草材料。通过对该材料进行水分蒸发测试、模拟植草试验、显微分析、热分析和孔径-孔容分析,结果表明该材料具有透气保水功能,在人工气候箱中模拟植草试验效果明显,其最佳配方:乳化液与分散剂体积比1:20(ml/ml),乳化液与土质颗粒比3:20(ml/g)。
  • 工艺 技术
    葛彦;葛明桥
    . 2014, 45(09): 27-0.
    以壳聚糖为基材,利用表面活性剂吐温80包覆茶树精油形成乳液,采用铸膜法制备O/W型茶树精油壳聚糖乳化膜,运用扫描电镜、红外光谱仪等对膜的结构特征和性能进行表征。结果表明:茶树精油被吐温80包覆,在壳聚糖溶液中形成稳定的O/W乳液型铸膜液,成膜后茶树精油微粒呈球形,直径约为1μm。性能测试结果表明,茶树精油的添加大大提高了壳聚糖膜的抑菌效果,该膜具有较好的舒适性、吸水性、透气性和抑菌性,有望将来成为一种新型的医用材料。
  • 综述·进展
    湛丹亚, 余琼粉, 李明, 樊杰, 陈杰, 李胤凝, 李爱民, 朱蓉, 王云峰
    功能材料. 2022, 53(9): 9061-9072. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.09.009
    鉴于纤维素的优点及其应用广泛性,如何从生物质中获取纤维素,并将其制成与目标应用场景相吻合的结构形式至关重要。本文总结了纤维素的提取方法,包括酸碱法、臭氧溶解法、离子液体法、深层共晶溶剂法、有机溶剂法和蒸汽爆破法,并分析了各种提取方式的优缺点;阐述了制备纤维膜的方法,包括静电纺丝、熔融纺丝和湿法纺丝,其中静电纺丝是一种简单、廉价的技术,该方法可以制备出具有高比表面积的纳米级纤维,有望对许多性能做出贡献,并对应产生积极的影响;综述了近年来纤维膜材料在物质分离、光电、医学及织物等领域的应用进展;最后概述了纤维素提取、纤维膜制备的应用前景和面临的挑战。
  • 综述·进展
    孔德茹, 安佳钰, 刘靖, 孙冬兰
    功能材料. 2023, 54(9): 9059-9069. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.09.008
    新型掺铝氧化锌(AZO)透明导电薄膜光学性能优异,成本低廉,有望取代技术成熟的掺锡氧化铟(ITO)薄膜。主要简述了AZO薄膜的结构及其光电性能,重点综述了薄膜的制备工艺以及应用领域,对极具开发潜力的AZO薄膜的产业化前景进行了展望。
  • 综述·进展
    李江琴, 姚凯利, 胡天丁, 陕绍云, 把明芳
    功能材料. 2023, 54(6): 6080-6087. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.06.009
    纤维素具有可再生、可降解、环保和无污染等特点。以纤维素为原料,制备得到的纤维素基膜材料,具有优良的分离,吸附,导电,磁性和刺激响应等性能,被广泛应用于分离,导电,包装,吸附等研究领域。因此,主要综述了纤维素材料在分离膜、导电膜、包装膜以及吸附膜领域的应用研究进展,并对其未来的发展趋势进行了展望。
  • 研究·开发
    韩莹, 郑博含, 钟智勇
    功能材料. 2022, 53(6): 6130-6136. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.06.018
    给出了镍铁合金-钇铁石榴石(NiFe-YIG)颗粒薄膜铁磁共振的测量结果,目的是研究薄膜内部线宽展宽机制。通过射频磁控溅射法在硅衬底上制备了50 nm厚度的NiFe-YIG颗粒薄膜样品,主要进行了面外转角铁磁共振测试,结合吉尔伯特阻尼、双磁子散射(短程缺陷激发)和镶嵌效应(长程缺陷激发)的理论对线宽进行分离;可以发现,线宽和场角的数据与理论相符合。当YIG含量较低时,线宽主要由吉尔伯特阻尼和双磁子散射阻尼线宽组成;随着YIG含量增大,双磁子散射和镶嵌效应导致的线宽展宽效应随之增大,并且获得了有关基本参数及缺陷信息。
  • 研究与开发
    朱桂茹;王盼;綦鹏飞
    . 2012, 43(22): 7-0.
    Baidu(16)
    将锂锰氧化物 (Li1.6Mn1.6O4)添加到聚偏氟乙烯(PVDF)铸膜液中,通过相转化法制备了掺杂Li1.6Mn1.6O4的锂离子筛前驱体膜,经过盐酸处理洗脱锂离子后制得锂离子筛膜。采用X射线衍射、扫描电镜、吸附实验等手段对膜的结构和吸附性能进行表征。吸附实验表明,随着Li1.6Mn1.6O4含量的增加,锂离子筛膜的吸附量先增加后减小。当添加Li1.6Mn1.6O4的质量分数为15%时,锂离子筛膜的吸附量最高为6.98 (102 mg/cm2)。
  • 研究·开发
    皇甫风云;王兵;单娟娟;孔媛媛;单永广
    . 2013, 44(S1): 58-62.
    Baidu(8)
    磺化聚砜是制备亲水性滤膜的优良材料。本文首先以发烟硫酸为溶剂、4,4’-二氯二苯砜(DCDPS)为原料成功制备了磺化单体3,3’-二磺酸钠-4,4’-二氯二苯砜(SDCDPS),并确定了最佳磺化条件:SO3/DCDPS的摩尔比为3.5,反应温度110 ℃,反应时间20 h。以SDCDPS为单体通过亲核缩聚反应合成了一系列不同磺化度的磺化聚砜膜材料,利用红外光谱及核磁共振光谱对其结构进行了表征。热分析实验表明该聚合物材料具有较高的分子量和热稳定性。
  • 热点·关注 (2022年度重庆市出版专项资金资助项目)
    杜炳文, 何帅, 廉晓克, 汪子又, 刘昱辰, 邓怡
    功能材料. 2023, 54(6): 6001-6010. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.06.001
    糖尿病作为一种代谢性疾病,其体内的高血糖常会引发血管功能障碍和严重的伤口感染,从而导致糖尿病患者皮肤受损后易引发致病菌感染使其伤口难以愈合。针对该问题,研究以Ag2S/液态金属复合物及葡萄糖氧化酶(GOx)为基础构建了一种光/葡萄糖双响应的聚乳酸-羟基乙酸共聚物薄膜(PLGA/Ag2S@LM-GOx),以望能够高效地消灭病原体细菌从而缓解伤口感染情况。XRD、SEM、EDS和BCA蛋白检测分析等表征结果证明了Ag2S@LM复合物及PLGA/Ag2S@LM-GOx薄膜的成功制备;PL光谱结果证明了,相比于单一的Ag2S,在形成Ag2S@LM复合物后的光激发电子-空穴的分离效率有明显地提升;光热实验结果证明了,PLGA/Ag2S@LM-GOx在NIR光的照射下能够将光能转化为热能;随后,光动力/化学动力学相关表征证明了PLGA/Ag2S@LM-GOx在光激发和葡萄糖环境中能够产生活性氧(ROS),实现光/葡萄糖双响应的协同效应,具有对细菌造成氧化应激损伤的潜力。抗菌实验表明,PLGA/Ag2S@LM-GOx薄膜在富含葡萄糖和NIR光激发的条件下下,能够高效地消灭金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus,S. aureus)和大肠杆菌(Escherichia coli,E. coli),证明了该种材料具有在光/葡萄糖双响应的协同杀菌能力。提供的方案不仅为治疗糖尿病患者伤口感染问题提供了一种新的方法和实验支撑,同时为新型薄膜材料的设计提供了一种新的思路。
  • 热点·关注
    华奕涵, 冯双龙
    功能材料. 2023, 54(1): 1026-1032. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.01.005
    作为量子物质的奇异态,拓扑绝缘体在新一代电子和光电子器件领域得到了广泛应用。因其金属表面态共存和较窄的带隙(0.3 eV),导致Bi2Se3具有超快电荷传输能力和红外光吸收能力,使其成为新体制光电器件的研究热点。采用恒电位沉积法在酸性电解质溶液中ITO基底上进行电化学沉积Bi2Se3薄膜,通过控制变量法确定Bi2Se3薄膜的生长条件是溶液pH值为0.2~0.8、沉积电位-0.15 V vs. Ag/AgCl和沉积时间1 h;同时,采用场发射透射电子显微镜、X射线衍射仪等表征技术对Bi2Se3薄膜的结构与形貌进行了研究。最后,研究了基于Bi2Se3薄膜光电探测器的性能,并考察了退火工艺对其光响应特性影响规律,测试结果表明退火后Bi2Se3薄膜在近红外波段具有良好的光电性能,响应度和比探测率分别约为6.3×10-5 A/W和2.9×106 cm·Hz0.5/W。
  • 研究·开发
    张兴丽, 陈之岳, 陈昊
    功能材料. 2023, 54(1): 1092-1096. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.01.012
    纳米纤维素是具有可再生性、可降解性的天然高分子材料。基于氧化石墨烯优越的物理性能,采用真空抽滤方法制备纳米纤维素-氧化石墨烯高度有序层状结构以提高纳米纤维素薄膜的力学强度和疏水性能。实验结果表明,当石墨烯质量分数为4%时,纳米纤维素-氧化石墨烯层状薄膜的拉伸强度达到最大值204.4 MPa,比原始CNCs薄膜抗拉强度提升58.8%。层状薄膜的弹性模量随氧化石墨烯质量分数的增加呈现先增加后降低的趋势。通过对层状薄膜进行微观形貌分析和动态热机械性能分析验证了力学试验结果的准确性。对纳米纤维素薄膜和纳米纤维素-氧化石墨烯层状薄膜的接触角进行测定,发现由于纳米纤维素的氢键网络与氧化石墨烯表面游离羟基之间的相互作用,层状薄膜的疏水性能显著提升。
  • 研究 开发
    张守海;赵文颖;陈丽云;蹇锡高
    . 2013, 44(18): 25-0.
    Baidu(11)
    以4-(3-苯基-4-羟基苯基)-2,3-二氮杂萘-1-酮、4-(4-羟基苯基)-2,3-二氮杂萘-1-酮和4,4’-二氯二苯砜为单体,合成了一系列含侧苯基杂萘联苯聚醚砜,然后以浓硫酸为磺化剂,制备磺化含侧苯基杂萘联苯聚醚砜(SPPES-P)。采用FT-IR、1H-NMR对聚合物的结构进行了表征,表明磺酸基被成功地引入到聚合物侧链苯基上。采用溶液法制备了SPPES-P质子交换膜。考察了SPPES-P膜的吸水率、溶胀率、质子传导率,以及甲醇渗透性能和耐氧化性能,SPPES-P膜具有较好的阻醇性和耐氧化性能。
  • 热点·关注 (2021年度重庆市出版专项资金资助项目)
    李荣, 窦元鑫, 舒月, 陈绪兴, 高云
    功能材料. 2022, 53(5): 5009-5025. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.05.002
    面对环境污染和能源匮乏,燃料电池作为新型清洁、可再生能源在交通运输、固定与分散电站、移动电源等领域具有广泛的应用前景。然而,目前作为燃料电池核心材料的无机酸或有机质子传导材料存在室温传导率低、湿度依赖性强、构效关系难获得等不足,是制约燃料电池技术发展的一个关键瓶颈。金属-有机框架材料(MOFs)作为一种新型多孔晶态材料,具有结构可设计、骨架可修饰、比表面积大及孔隙可调等优势,在质子传导领域展现出突出的性能和潜在的应用价值。综述了近年来MOFs材料在高性能质子传导方面的研究进展,介绍了质子传导的Grotthuss和Vehicle两种传导机制,系统阐述了有水/无水条件下获得高电导率MOFs质子传导材料的研究方法,详细介绍了高性能、湿度依赖的草酸、羧酸、磷酸和磺酸基MOFs质子传导材料,无水条件下,高性能、高温MOFs质子传导材料通过孔道负载含氮杂环分子获得。最后总结并展望了MOFs质子传导材料未来发展方向,为设计合成性能优异的质子传导MOFs材料提供参考和借鉴。
  • 热点·关注(2019年度重庆市出版专项资金资助项目)
    李春浩, 孟蕊, 倪玉强, 张策, 王帅
    功能材料. 2020, 51(1): 1016-1022. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2020.01.003
    通过物理掺杂将N-羧基螺吡喃(SP-COOH)与聚丙烯腈(PAN)混合,并利用静电纺丝技术制备了一种新型光响应调节湿度的SP-COOH/PAN纤维膜材料。利用螺吡喃的光致异构化的特性,使电纺薄膜的润湿性和周围湿度可以通过紫外-可见光的交替照射来可逆地调节。在紫外光照射下,会使螺C-O键断裂,此时螺吡喃分子呈现开环的、有颜色的极性分子,与水分子容易形成静电吸引;而在可见光照射下,螺C-O键重新结合,此时呈现了一种闭环的、无色的非极性分子,与水分子的吸引减弱。通过这种功能分子极性的变化可以可逆的操纵材料表面的润湿性,进而应用于周围环境湿度的调节。研究结果表明,在紫外-可见光交替照射下纤维膜表面的润湿性的变化范围和对周围湿度的调节范围呈现正向关系,并均随着SP-COOH的掺杂量增多而变大,当SP-COOH的掺杂量为10%时,材料表面润湿性可变化约16°,湿度调节范围约为±6%。另外,静电纺丝技术是一种简单、易操作、可实现大面积生产的制备膜的方法,这些优点有利于该类膜材料应用于实际生活。
  • 工艺·技术
    官磊, 张文, 王兵, 熊鹰
    功能材料. 2022, 53(10): 10185-10189. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.10.024
    金刚石-石墨烯杂化/复合材料兼具金刚石和石墨烯的优异性能,在储能、光电、生物传感器等领域有着重要的应用。近年来,大量的研究致力于这类材料的形成过程,但其生长机理仍不清楚。采用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法,以有机小分子二异丙胺作为唯一碳、氮源制备了氮掺杂超纳米金刚石-石墨烯杂化薄膜。采用SEM、TEM、Raman、XRD等手段详细分析了杂化薄膜的微观形貌以及物相组成,并结合等离子体发射光谱(OES)对生长时基团种类及含量变化的原位测量,提出了可能的生长机理,为调控氮掺杂超纳米金刚石-石墨烯杂化薄膜的微观结构和性能提供理论依据。
  • 热点·关注 (2022年度重庆市出版专项资金资助项目)
    王旸, 张锦文
    功能材料. 2023, 54(9): 9007-9016. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.09.002
    金刚石薄膜具有负电子亲合能、高热导率和极强的化学惰性等优势,作为场发射材料引起了广泛关注。回顾了金刚石薄膜的分类,介绍了氢化金刚石薄膜具有的负电子亲合能特性,分析了金刚石薄膜场发射特性的影响因素,列举了场发射特性的优化方向,并总结了文献中报道的金刚石薄膜与其他材料复合获得的场发射阴极的性能,对于分析和改进金刚石薄膜器件场发射性能具有重要意义。
  • 热点·关注
    张兵,周佳玲,王丹,吴永红,李琳,王同华
    功能材料. 2016, 47(5): 18-21. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2016.05.004
    以介孔分子筛SBA-15为模板剂,聚酰亚胺为前驱体,经共混、成膜、炭化及脱模板过程,制备了有序多孔炭膜材料(OPCM)。通过热失重、红外光谱、电子显微镜和X-射线衍射,分别对前驱体热稳定性、膜表面官能团、微观形貌与微观结构进行了表征。考察了SBA-15脱除前后的炭膜微观结构与形貌,及OPCM气体分离性能。结果显示,当炭化温度为650 ℃、SBA-15用量为1%时,所制得OPCM的气体分离系数显著高于努森扩散。
  • 综述·进展
    杨倩, 谢艳新, 沈宇杰, 朱宝库
    功能材料. 2019, 50(12): 12059-12065. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2019.12.009
    一般的高分子材料与血液接触时,在材料表面会形成血栓,无法满足抗凝血的要求。将肝素或类肝素物质通过适当的方法固定在高分子材料上,可以提高材料的抗凝血性能。对改善高分子材料血液相容性的方法进行了总结,叙述了肝素化/类肝素化高分子膜材料的特征与优势,重点介绍了肝素化/类肝素化抗凝血高分子膜材料的制备方法研究进展,并对类肝素化高分子膜材料的发展方向进行了展望。
  • 工艺·技术
    杜国勇, 袁巧
    功能材料. 2022, 53(10): 10222-10228. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.10.029
    亲水疏油材料对于低浓度的含油废水具有较好的分离效果。将疏水性PVDF膜浸渍于一定质量比例的盐酸多巴胺(DA)/二乙三胺(DETA)混合溶液中,从而制备出了超亲水-水下超疏油PVDF/聚多巴胺/二乙烯三胺(PVDF/PDA/DETA)膜。采用傅里叶红外光谱仪(FTIR)、X射线光电子能谱仪(XPS)和扫描电子显微镜(SEM)对制备的改性膜进行了表征。结果表明,PDA和DETA已成功负载到PVDF膜表面。探究了浸渍时间和DA与DETA的质量比对膜表面润湿性的影响,并测试了改性膜的纯水通量、油水分离效率、重复使用率以及稳定性。结果表明,当浸渍时间为12 h,DA与DETA的质量比为1∶1时所制备的改性膜具有最优异的超亲水-水下超疏油性能,水下柴油和正己烷的接触角分别达到146.1°和151.6°,与原始PVDF膜相比纯水通量提高了12.67倍,对多种油水混合物表现出优异的分离性能,经过5次油水分离后,分离效率仍可达95%以上,该膜在不同pH值溶液中浸泡12 h后,水下柴油接触角仍大于140°,表现出优异的重复使用性能和稳定性能。
  • 热点·关注 (2021年度重庆市出版专项资金资助项目)
    夏涛, 赵睿鹏, 陈曦, 李禛哲, 陶伯万
    功能材料. 2022, 53(9): 9018-9024. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.09.004
    针对航空航天高温异构件表面高频热流信号测量难题,提出了一种柔性原子层热电堆热流传感器的解决方案。以镍基合金柔性基带为衬底,通过倾斜基底沉积技术(ISD)生长出了具有倾斜织构的MgO薄膜,并在其上以金属有机物化学气相沉积技术(MOCVD)成功外延生长出了倾斜且织构良好的YBa2Cu3O7-δ(YBCO)热电薄膜。利用脉冲激光对其热电性能进行了测试,其响应时间达到196 ns。
  • 研究·开发
    王慧, 牛力, 李旭, 刘志明
    功能材料. 2023, 54(8): 8183-8191. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.08.023
    以浓硫酸水解脱脂棉获得的,具有较高机械强度和结晶度的纤维素纳米晶(CNC)作为增强相,结合具有良好热稳定性、化学稳定性的聚丙烯腈(PAN),采用简单的静电纺丝技术制备了具有较高的孔隙率和纯水渗透通量的CNC/PAN复合纳米纤维膜。通过各项表征考察了CNC添加量对薄膜各项性能的影响,结果表明与Pure PAN相比,CNC/PAN复合纳米纤维膜具有良好的热稳定性,更好的力学性能和亲水性。探究了薄膜使用前后厚度、孔隙率与纯水渗透通量的变化情况,分析了薄膜的油水分离性能,拓展了其在水处理领域的应用。
  • 热点·关注 (2022年度重庆市出版专项资金资助项目)
    邬园园, 朱颖丽, 李享成, 陈平安, 朱伯铨
    功能材料. 2023, 54(3): 3029-3033. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.03.005
    采用电化学沉积法制备了FeCoNiMnY高熵薄膜,利用XRD、VSM和VNA等测试手段对其性能进行表征,并研究了不同Y元素浓度对高熵薄膜晶体结构、软磁性能和噪声抑制特性的影响。结果表明,Y的添加一方面粗化了晶粒尺寸,增加了合金矫顽力(从12.09 kA/m增加至21.7 kA/m);另一方面,元素Y的添加引起的晶格畸变提高了高熵薄膜的电阻率(高达336 μΩ·mm)。FeCoNiMnY高熵薄膜的最大功率损耗比在6.1 GHz处可达到0.84。上述结果表明,FeCoNiMnY噪声抑制片在千兆赫频率下的抗电磁干扰应用中具有很大的潜力。
  • 工艺·技术
    金路瑶, 李慧敏, 苏静, 王鸿博
    功能材料. 2024, 55(1): 1187-1192. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.01.025
    以羧甲基纤维素钠和聚乙二醇为原料,通过交联、凝胶化形成多孔网络结构,制备具有pH响应性能的凝胶膜。将其浸泡在单宁酸溶液中赋予样品抗菌性能,并对抗菌膜的微观结构、溶胀性能、体外药物释放、抗氧化性能、抗菌性能等进行了表征。结果表明:制备好的抗菌膜具有良好的多孔结构,羧甲基纤维素钠上的羧基赋予抗菌膜一定的pH响应性能,使其在不同pH值下表现出差异性的溶胀性和体外释药性,载药后样品的抗氧化性提升至91.33%,对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率均达到90%以上。该抗菌膜在药物缓释型敷料等方面具有很大的应用前景。
  • 工艺·技术
    张静贤, 龙柱, 覃程荣, 陈杰, 张丹
    功能材料. 2022, 53(12): 12170-12176. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.12.024
    探究微晶纤维素/明胶对淀粉复合膜热封、力学、热稳定性能等影响,以期提升淀粉基薄膜的综合性能。以不同比例微晶纤维素/明胶(1∶9,2∶8,3∶7)做增强相,溶液浇铸法制备多组分淀粉膜—微晶纤维素/明胶/淀粉膜(MCC/GL/ST)。通过扫描电镜(SEM) 、差示量热扫描(DSC)、热重分析(TG)对薄膜进行表观形貌及热稳定性分析,采用热封仪、万能材料拉力机表征薄膜力学性能、热封性能。结果表明,与微晶纤维素/淀粉膜(MCC/ST)相比,微晶纤维素/明胶(2∶8)/淀粉膜(MCC/GL/ST-2)热封强度提高了352.9%,拉伸强度提高至9.12 MPa,红外光谱分析(FT-IR)表明MCC和GL之间存在氢键相互作用;薄膜阻隔性能随明胶添加量降低而提升,DSC及TG曲线表明MCC/GL/ST-2具有良好的热稳定性,可满足热封加工性的同时保证其性能稳定。
  • 工艺·技术
    陶美洁, 李志伟, 杨科, 李衡峰
    功能材料. 2023, 54(4): 4230-4236. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.04.031
    实现高电磁屏蔽性能的同时降低反射是目前电磁屏蔽材料所追求的。采用一步水热法合成直径为30~40 μm,厚度为70~200 nm的Fe3O4纳米片,利用红外光谱、X射线衍射仪、扫描电子显微镜表征发现结晶度良好。改变Fe3O4纳米片含量,喷涂制备的Fe3O4/MXene/WPU复合膜的反射值能低至4.3 dB,反射功率(R)从0.81降至0.63,透射功率(T)仅为10-3数量级。同样,采用水热法制备了直径为180~200 nm、分散性良好的Fe3O4纳米微球。同等Fe3O4含量下纵向对比发现,含Fe3O4纳米片的复合膜电磁屏蔽性能稍高于含Fe3O4纳米球的复合膜。
  • 工艺·技术
    曾泓钜, 余海溶, 程昌敬, 梁婷
    功能材料. 2022, 53(5): 5218-5225. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.05.029
    利用含苯甲酸(6OBA)和苯乙烯基吡啶(6SzMA)基团的单体分子间氢键作用诱导形成超分子液晶,与交联剂(C6H)混合后通过原位光聚合,在平行取向条件下制备功能液晶聚合物膜,获得有序贯通的传导通道,并应用于无水质子传导,进一步通过H3PO4掺杂实现质子传导性能强化。运用FT-IR、POM、TGA、DSC、2D-SAXS、高分辨TEM和EIS对其氢键、液晶特性、微观结构和无水质子传导性能进行表征。结果表明,6OBA与6SzMA分子间形成氢键诱导产生近晶相,平行取向条件下聚合后,近晶相层结构固化获得纳米尺度规整排布的有序孔道,在无水条件下170 ℃时其质子传导率为7.1×10-9 S/cm。H3PO4掺杂后以分子簇的形式存在,充足的质子源和增强的氢键网络使得传导性能显著提升超4个数量级,170 ℃时达到3.2×10-4 S/cm。
  • 研究·开发
    金爽, 赵苏, 马广一
    功能材料. 2019, 50(6): 6120-6127. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2019.06.021
    抗凝冰剂是一种代替沥青混合料中不同粒径的矿料、使沥青路面具有主动除冰雪功能的一种外加剂。国内同类产品缓释性能差,普遍缺乏长效性。为增强抗凝冰剂的缓释效果,研究借鉴农药、化肥包膜技术,分别用聚苯乙烯、环氧树脂、水溶性酚醛树脂对大粒盐进行包膜,并对包膜方法、稀释比例、大粒盐粒径及固化温度等条件进行探究,得出如下结论,采用环氧树脂包膜,4.75~9.5 mm粒径大粒盐,环氧树脂与环己酮稀释比例为4∶1,加入环氧树脂质量30%的固化剂且在100 ℃下固化,溶液不掺加改性蓄盐载体,粒子表面裹一层改性蓄盐载体,以此条件下制备的抗凝冰剂缓释效果较好。
  • 综述·进展
    徐春梅, 井丽敏, 张斌, 王苒, 陈露露, 柳竹青, 韩文佳
    功能材料. 2024, 55(2): 2115-2123. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.02.013
    淀粉是由α-葡萄糖分子聚合而成的天然高分子材料,来源广泛,主要分布在植物的根茎中,具有价格低廉、可再生及可生物降解等优点。利用淀粉制备天然可降解塑料薄膜,对解决和改善环境污染有着重大意义。与淀粉基材料相比,聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等合成高分子为原料制成的热塑性产品具有气味刺激性、不可生物降解和污染环境等缺点。基于淀粉的天然优势,以淀粉为原料制成的可生物降解热塑性材料成为国内外研究人员的研究热点。主要综述了淀粉的结构和性质,淀粉的增塑方法,淀粉膜的制备方法,热塑性淀粉基功能性膜材料研究进展,并对热塑性淀粉基功能材料的研究内容进行了总结与展望。
  • 研究·开发
    郭小杰, 杜丽勇
    功能材料. 2024, 55(1): 1086-1091. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.01.011
    基于一步旋涂法制备了钙钛矿太阳能电池吸光层CH3NH3PbI3薄膜,在吸光层制备过程中添加了尿素,研究了尿素掺杂量对CH3NH3PbI3薄膜的物相结构、微观形貌及组装钙钛矿太阳能电池的光电性能的影响,通过XRD、SEM、UV-Vis、PL以及J-V曲线等对样品进行了表征。结果表明,适量尿素的添加提高了CH3NH3PbI3薄膜的结晶度,改善了取向性,使薄膜的覆盖率得到改善,孔洞和裂缝的数量减少。当尿素的掺杂量为10%(摩尔分数)时,薄膜的晶粒尺寸最为均匀,结晶性能最佳。所有CH3NH3PbI3薄膜的吸收边都在780 nm左右,带隙宽度为1.5 eV。适量尿素的添加提高了CH3NH3PbI3薄膜的吸光能力和发射峰的强度,随着尿素掺杂量的增加,CH3NH3PbI3薄膜的吸光性能和发射峰强度均先增大后减小。当尿素的掺杂量为10%(摩尔分数)时,CH3NH3PbI3薄膜的吸光性能最好,发射峰强度最高。将不同尿素掺杂量的CH3NH3PbI3薄膜组装出30个钙钛矿太阳能电池,测试了J-V曲线,当尿素的掺杂量为10%(摩尔分数)时,电池具有最优的光电性能,其光电转换效率达到最大为20.61%。以上分析可知,尿素的最佳掺杂量为10%(摩尔分数)。
  • 工艺·技术
    彭振军, 徐惠, 罗兰, 梁军
    功能材料. 2022, 53(9): 9219-9225. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.09.031
    采用铝酸盐电解液体系在铜合金表面成功制备了微弧氧化膜,并考察了其腐蚀防护与绝缘性能。通过扫描电子显微镜(SEM),X射线能量色散谱仪(EDS),X射线衍射仪(XRD)表征了氧化膜的微观形貌及结构组成。利用电动位极化曲线、电化学阻抗谱及盐雾试验箱综合评价了氧化膜的腐蚀防护性能。通过耐压测试仪测试了氧化膜在交流和直流模式下的电压与漏电流关系曲线。结果表明,铜合金表面微弧氧化膜生长以向外生长的化合物沉积为主,呈现明显的边缘效应,并随氧化电压的升高,铜合金基体参与氧化成膜的程度越高,氧化膜的厚度也越大,其腐蚀电流密度相较于铜基材降低了3个数量级,中性盐雾测试732 h后无明显腐蚀产物,在直流和交流模式下的耐击穿电压分别提升至750 V和600 V,说明铜合金微弧氧化膜在高电压下具有较快的生长速度和优异的耐腐蚀与绝缘性能。
  • 工艺·技术
    宋凯利, 朱笑吉, 朱卫明
    功能材料. 2020, 51(7): 7177-7183. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2020.07.028
    采用高碘酸钠氧化法制备了醛基功能化纤维素纳米微晶(DCNC),利用醛基功能化纤维素纳米微晶可与角蛋白分子链中氨基反应,对角蛋白膜材料起到交联和增强的双重作用,制备了增强的角蛋白载药膜材料,研究了其药物释放性能。研究表明,改性纤维素纳米微晶可起到交联和增强的效应,与纯角蛋白膜相比,DCNC/角蛋白复合膜机械性能、耐水稳定性大大提高。DCNC的增强和交联能够有效解决纯角蛋白药物载体膜突释现象,DCNC/角蛋白复合药物载体膜对包覆的药物呈现缓释现象。研究结果不仅有助于角蛋白天然高分子膜材料的应用,对于制备其他复合材料也具有较好的借鉴意义。
  • 研究·开发
    邹江, 汪鑫海, 王立峰, 贺娟, 吴波, 谢泉
    功能材料. 2022, 53(5): 5173-5177. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.05.022
    使用了基于密度泛函理论的第一性原理的方法,计算了外延关系为CoSi(001)//MgO(001)的薄膜生长体系的电子结构和磁矩,以及分析了其电荷密度与差分电荷密度。结果发现当CoSi晶体的晶格常数a,b设定为0.84224 nm,c=0.28135 nm时,体系的能量最低,达到最稳定的平衡态。由自旋极化能带图、总电子态密度以及分态密度可知,该CoSi外延薄膜的导带底与价带顶发生明显的交叠从而表现出金属性同时在费米能级附近产生了明显的自旋裂化现象;价带顶主要是由Co的3d7态电子构成,而导带底主要由Si的3p态电子构成,同时由态密度可知其产生了赝能隙现象,Co-3d态电子不仅主要贡献了态密度,也是薄膜产生磁性的主要因素。由计算结果的密里根电荷以及电荷密度可知,电子由Si转移到Co,Co作为电子受主,Co之间形成反键态,Co、Si之间形成共价键结构。经计算该外延关系下的CoSi具有铁磁性,总磁矩为0.52 μB。
  • 热点·关注 (2022年度重庆市出版专项资金资助项目)
    赵晓君, 罗旭良, 翁梦蔓, 闵永刚
    功能材料. 2023, 54(12): 18-22. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.12.003
    为确保电子设备的正常运行和安全工作,围绕电子元器件热管理的研究近年来热度持续升高,聚酰亚胺(PI)作为基材生产的石墨膜是一种重要的导热材料,且能通过掺杂改性提高石墨膜的导热性能。而相较于固体导热填料,离子液体与聚酰亚胺基体的相容性更好,已常见于气体分离膜、无色聚酰亚胺(CPI)等应用。以4,4′-二氨基苯酰替苯胺(DABA)与3,3′,4,4′-联苯四甲酸二酐(BPDA)作为单体,利用1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐(IL)这一具有多个氢键位点的IL对PI薄膜进行改性,而后通过石墨化制备得高导热石墨膜。研究结果表明,IL含量为5.0%(质量分数)时,石墨膜晶粒尺寸为78.417 nm,石墨化程度达88%,导热系数达770 W/m·K,为纯PI基石墨膜的1.53倍。
  • 研究·开发
    陈欣欣, 邹海凤, 陈卓, 程琥
    功能材料. 2022, 53(8): 8165-8169. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.08.025
    以对苯乙烯磺酸钠为原料,通过一系列反应合成了单离子导体聚(对苯乙烯磺酰)(三氟甲基磺酰)亚胺锂(LiPSTFSI),将其与PEO按不同EO/Li+共混,制备单离子导电聚合物电解质膜。研究表明,PEO/LiPSTFSI电解质膜在270 ℃下具有良好的热稳定性;在60 ℃时, EO/Li+=16的电解质膜的离子电导率达到1.94×10-5 S/cm,且锂离子迁移数>0.85,接近于锂单离子导体;同时电解质膜表现出较好的电化学稳定性和界面性能。
  • 研究·开发
    王小凡, 李婷, 陈新, 朱海燕, 苗红艳, 吴秀明
    功能材料. 2022, 53(5): 5147-5152. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.05.019
    采用天然植物中提取的原花青素(OPC)作为自由基捕获剂,通过溶液浇铸法将OPC与聚乙烯醇(PVA)共混制膜。利用差示扫描量热仪(DSC)、热重分析仪(TGA)、全反射傅里叶红外光谱仪(FTIR)、双束紫外可见分光光度计(UV-Vis)、小角X射线散射仪(SAXS)等仪器研究共混物薄膜的热力学稳定性、紫外屏蔽性能、透光率以及结晶性能等。结果表明,1.0%~2.0%原花青素的加入可有效提高PVA的热稳定性,拓宽熔融加工窗口,且PVA/OPC薄膜能保持优异的力学性能、透光率以及紫外屏蔽性能。小角X射线散射的结果进一步证明OPC的加入抑制PVA的结晶。
  • 热点·关注 (2021年度重庆市出版专项资金资助项目)
    鲍晨, 郭宸宇, 光善仪, 徐洪耀
    功能材料. 2022, 53(3): 3026-3030. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.03.004
    选用紫外光引发剂,利用点击反应将聚乙二醇(Mn;2000)双丙烯酸酯(polyethylene glycol 2000 diacrylate,PEGDA-2000)以及N-乙烯基吡咯烷酮(N-Vinyl-2-pyrrolidone,NVP)接枝到POSS-SH,方便快速的制备了无色透明的高弹态的交联体聚合物薄膜。此聚合物薄膜对某些溶剂具有一定的吸液性能,并计算了其吸液率和吸液速率;其热稳定性Td5%达到300 ℃;此聚合物是一个疏水亲油型薄膜,在中性和酸性环境下具有更好的稳定性和耐久性;制备的疏水亲油型复合滤布的油品通量的临界点出现在17 s,此时油水混合物的临界点前的平均油品通量为15651 L/m2h ,分离效率达到了96%。
  • 工艺·技术
    樊凡, 王仲民, 甘伟江, 林振琨
    功能材料. 2023, 54(7): 7230-7236. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.07.031
    过渡金属碳/氮化物(MXene)是一种具有高电化学活性、高电导率、高堆积密度以及优异的力学柔性的二维纳米层状材料,这种特性使其广泛应用于超级电容器领域。但是,Mxene材料容易产生自堆叠问题,影响其作为电极材料的性能。通过溶剂热处理、抽滤等步骤将柿子单宁(PT)掺杂到Ti3C2Tx Mxene中制备了Ti3C2Tx/PT复合薄膜材料,并对其形貌、结构以及电化学性能进行了详细表征,证明了少量PT掺杂可有效改善Ti3C2Tx的堆叠性质,使得电解液离子快速扩散,有利于复合薄膜电容的提升,但是过多的PT引入会导致电容性能降低。电化学测试结果表明,在电流密度为1 A/g时,Ti3C2Tx/PT0.01复合薄膜电极的质量比电容最高达到448 F/ g,相比未掺杂的Ti3C2Tx薄膜提升了23.8%,并且表现出更好的倍率性能。证明了所提出的PT掺杂策略是提升Ti3C2Tx Mxene电容性能的有效手段,这种策略未来有望进一步拓展到其他相似的二维纳米材料当中。