全球氣候變暖是當(dāng)今人類社會(huì)面臨的一大難題。根據(jù)美國環(huán)境保護(hù)機(jī)構(gòu)（United States Environmental Protection Agency）的數(shù)據(jù)，二氧化碳占據(jù)了超過75%的溫室氣體排放比例。其中，發(fā)電廠和工業(yè)生產(chǎn)的貢獻(xiàn)為46%。因此，二氧化碳的分離與捕獲技術(shù)發(fā)展將大大降低溫室氣體排放帶來的危害。

    膜分離技術(shù)（membrane separation）是一項(xiàng)新興的技術(shù)。相比于傳統(tǒng)的氨吸收技術(shù)，膜分離技術(shù)能大大降低能耗，從而達(dá)到更綠色環(huán)保的需求。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，膜材料的微小損傷往往導(dǎo)致整個(gè)氣體處理模塊的故障。因此，研發(fā)出能夠克服機(jī)械損傷，快速修復(fù)氣體分離功能的高分子膜將大大延長氣體分離膜的實(shí)用壽命，助益于氣體分離膜領(lǐng)域的發(fā)展。同時(shí)能減少由于材料報(bào)廢而造成的損失，從而帶來良好的實(shí)用和經(jīng)濟(jì)效益。考慮到氣體分子的尺寸均為埃米級(jí)別（？，10-10 m），要使膜材料在損傷后恢復(fù)氣體分離功能，就需要達(dá)到埃米級(jí)別的自我修復(fù)能力。

圖一、 具有修復(fù)氣體分離功能高分子膜

    近期，美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（Oak Ridge National Laboratory）的曹鵬飛博士和Tomonori Saito 博士設(shè)計(jì)合成了一系列的超高延展性，自我修復(fù)能力的高分子橡膠膜，發(fā)表于《先進(jìn)功能材料》雜志。該工作主要由研究助理李炳睿和博士生洪濤（現(xiàn)為美國國家能源技術(shù)實(shí)驗(yàn)室博士后）完成。如果一所示，高分子橡膠膜由支化聚二甲基硅氧烷（PDMS），線性PDMS和尿素在高溫條件下由縮聚反應(yīng)制備合成。

圖二、（A） 樣品U-PDMS5.0K-E的儲(chǔ)能模量隨溫度變化曲線， （B） 樣品的應(yīng)力-應(yīng)變曲線（C） 樣品C1:UPDMS0.9K-E, C2: U-PDMS3.0K-E, C3: U-PDMS5.0K-E, C4:U-PDMS30K-E的10次循環(huán)滯后曲線。

    該材料具有超高延展性（應(yīng)變從984% 到5600%）和較強(qiáng)的自修復(fù)能力，并且能在較寬的溫度范圍（tan>0.3）內(nèi)作為緩沖材料使用（如圖二（A））。如圖二（B）所示，通過改變線性PDMS的分子量，可以調(diào)控所得高分子膜的楊氏模量，延展性和最高機(jī)械力。另外，我們可以看到所得高分子橡膠膜的彈性形變也可以通過PDMS的分子量進(jìn)行調(diào)控（圖二（C））。

圖三、（A）樣品U-PDMS5.0K-E的自修復(fù)展示，

（B）  高分子膜的起始?xì)怏w透過率和破損并修復(fù)后的氣體透過率。

    在高分子膜損傷之后，其機(jī)械性能，例如楊氏模量，延展性（圖三（A）），可以在較短時(shí)間內(nèi)完全恢復(fù)（室溫120分鐘，40攝氏度20分鐘）。更為驚人的是，自修復(fù)后的高分子膜，對于氣體分子的通過率和不同氣體分子選擇通過性與損傷之前近于相同（如圖三（B））。考慮到氣體分子的動(dòng)力學(xué)直徑均為埃米級(jí)別，從側(cè)面證明了該樣品在此尺寸下的自修復(fù)能力。同時(shí)，該膜材料基于PDMS，本身具有很高的滲透性和一定的選擇性。我們相信，將此材料用于氣體分離模塊中，能得到很高的氣體透過率（permeance）。同時(shí)，在局部模塊受損的情況下，該高分子膜的自我修復(fù)能力可以大大降低因故障導(dǎo)致的損失，便于整個(gè)模塊的快速修復(fù)。

    參考文獻(xiàn)：

    Peng-FeiCao,?*Bingrui Li,? TaoHong, Jacob Townsend, Zhe Qiang, Kunyue Xing, Konstantinos D. Vogiatzis,b Yangyang Wang, Alexei P. Sokolov, and Tomonori Saito.* Super-Stretchable, Self-Healing Polymeric Elastomers withTunable Properties. Advanced Functional Materials. doi.org/10.1002/adfm.201800741.

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