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高分子自清潔表面的淺易分子設計：納米纖維素涂層

2017-06-27 09:39:38 作者：本網發布來源：高分子科學前沿分享至：

紛繁復雜的生物組織表面如細胞膜為我們提供了微觀尺度上的表面極性基團的有效水合與宏觀尺度上表面親水性和自清潔功能的完美結合，不過這一結合背后的基本原理還沒有完全建立。這不僅大大地限制了我們對生物表面性質與功能的深入理解，同時也大大地制約了自清潔表面技術在實際工業乃至日常生活中的應用。目前有關自清潔表面的研究通常聚焦在通過模擬生物表面的微納米結構進而構建自清潔功能，不過由于在水/油/固三相接觸區域用低黏度的水置換高黏度的油會招致很大表面摩擦力，加之構筑工藝的復雜性，基于微納結構的自清潔表面涂層技術依舊面臨諸多問題。目前，具有光催化功能的TiO2涂層技術和兩性離子聚合物的共價表面接枝偶聯技術可實現自清潔，但是其工藝的復雜性和對操作人員的化學訓練的強依賴性大大地制約了這兩種自清潔表面技術在實際大規模工業應用中的可操作性。

最近，吉林大學汪大洋教授課題組首次報道了借助簡單的浸涂工藝將聚電解質多層膜和纖維素納米纖絲（CNF）單層膜先后涂覆在固體表面后，CNF涂層表面上各種油性污染物可以很容易地被水清洗干凈。這一發現為簡單、快速，大面積地制備自清潔表面涂層提供全新思路。由于親水材料具有高的表面能，其表面的極性基團在空氣中會盡可能向內翻轉重構進而降低表面能。也是由于其表面能高，在空氣中親水表面可以被油完全浸潤，即空氣中超親油。這造成親水表面如聚丙烯酸等材料表面一旦在空氣中被油污染，很難被水清洗干凈。盡管表面極性基團的水合作用使得油膜收縮成油滴，但油滴穩定地粘附在親水表面，與之截然不同，盡管親水的CNF表面在空氣也可以被油完全浸潤，一旦將油污染的CNF表面浸入水中，油膜迅速地收縮成油滴，完全從CNF表面分離（如圖1所示）。表面敏感的掠角紅外光譜分析證明CNF涂層表面所表現出的自清潔功能可以與其各向同性的分子構型密切關聯。大量的羧基和羥基致密，均一，對稱地鍵鏈在每根CNF纖絲外部殼層。故此，不管CNF纖絲是如何伴隨外界環境變化而相應在空間翻轉重構，其與外界環境直接接觸的極性基團數量保持恒定，從而最大限度地降低了表面重構對CNF涂層表面的親水性的影響。為此，這一各向同性的分子構型保證了CNF涂層表面在任何環境中可以被水高效，穩定地浸潤。

▲ 圖1：不同聚合物涂層表面在水作用下的自清潔行為，CNF（上）、聚丙烯酸鈉（下）

汪大洋課題組進一步借助簡單的浸涂工藝將聚電解質多層膜和纖維素納米纖絲（CNF）單層膜先后涂覆在不銹鋼網表面，從而制備出高效的油水分離濾膜。因為CNF涂層表面具有優異的自清潔功能，無論是高粘度的機油還是普通的烷烴甚至極性較大，微溶于水的戊醇和丁醇都可以利用CNF涂覆的濾膜直接實現與水有效分離。此外，CNF涂覆的濾膜不僅可以用于過濾，還可以用來撈取水面上的浮油（如圖2所示）。故此，CNF涂覆的濾膜克服了目前基于表面親水性制備的油水分離濾膜在實際應用中的諸多技術瓶頸，特別是避免操作的復雜性和化學技術的依賴性，有望在清除海上油污染等實際油水分離領域得到廣泛推廣。此外，CNF表面自清潔功能與其在分子各向同性的分子構型的相關性提供一個從分子水平設計高分子自清潔表面的全新思路，對自清潔表面技術的發展及未來的產業化都有著重大的啟迪意義。研究成果發表于《德國應用化學》雜志。