全球氣候變暖是當今人類社會面臨的一大難題。根據美國環境保護機構（United States Environmental Protection Agency）的數據，二氧化碳占據了超過75%的溫室氣體排放比例。其中，發電廠和工業生產的貢獻為46%。因此，二氧化碳的分離與捕獲技術發展將大大降低溫室氣體排放帶來的危害。

    膜分離技術（membrane separation）是一項新興的技術。相比于傳統的氨吸收技術，膜分離技術能大大降低能耗，從而達到更綠色環保的需求。然而，在實際應用中，膜材料的微小損傷往往導致整個氣體處理模塊的故障。因此，研發出能夠克服機械損傷，快速修復氣體分離功能的高分子膜將大大延長氣體分離膜的實用壽命，助益于氣體分離膜領域的發展。同時能減少由于材料報廢而造成的損失，從而帶來良好的實用和經濟效益。考慮到氣體分子的尺寸均為埃米級別（？，10-10 m），要使膜材料在損傷后恢復氣體分離功能，就需要達到埃米級別的自我修復能力。

圖一、 具有修復氣體分離功能高分子膜

    近期，美國橡樹嶺國家實驗室（Oak Ridge National Laboratory）的曹鵬飛博士和Tomonori Saito 博士設計合成了一系列的超高延展性，自我修復能力的高分子橡膠膜，發表于《先進功能材料》雜志。該工作主要由研究助理李炳睿和博士生洪濤（現為美國國家能源技術實驗室博士后）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制備合成。

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

    該材料具有超高延展性（應變從984% 到5600%）和較強的自修復能力，并且能在較寬的溫度范圍（tan>0.3）內作為緩沖材料使用（如圖二（A））。如圖二（B）所示，通過改變線性PDMS的分子量，可以調控所得高分子膜的楊氏模量，延展性和最高機械力。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的分子量進行調控（圖二（C））。

圖三、（A）樣品U-PDMS5.0K-E的自修復展示，

（B）  高分子膜的起始氣體透過率和破損并修復后的氣體透過率。

    在高分子膜損傷之后，其機械性能，例如楊氏模量，延展性（圖三（A）），可以在較短時間內完全恢復（室溫120分鐘，40攝氏度20分鐘）。更為驚人的是，自修復后的高分子膜，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力學直徑均為埃米級別，從側面證明了該樣品在此尺寸下的自修復能力。同時，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，在局部模塊受損的情況下，該高分子膜的自我修復能力可以大大降低因故障導致的損失，便于整個模塊的快速修復。

    參考文獻：

    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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