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高分子自清潔表面的淺易分子設(shè)計(jì)：納米纖維素涂層

2017-06-27 09:39:38 作者：本網(wǎng)發(fā)布來源：高分子科學(xué)前沿分享至：

紛繁復(fù)雜的生物組織表面如細(xì)胞膜為我們提供了微觀尺度上的表面極性基團(tuán)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(jié)合，不過這一結(jié)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(zhì)與功能的深入理解，同時也大大地制約了自清潔表面技術(shù)在實(shí)際工業(yè)乃至日常生活中的應(yīng)用。目前有關(guān)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(jié)構(gòu)進(jìn)而構(gòu)建自清潔功能，不過由于在水/油/固三相接觸區(qū)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(gòu)筑工藝的復(fù)雜性，基于微納結(jié)構(gòu)的自清潔表面涂層技術(shù)依舊面臨諸多問題。目前，具有光催化功能的TiO2涂層技術(shù)和兩性離子聚合物的共價(jià)表面接枝偶聯(lián)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)自清潔，但是其工藝的復(fù)雜性和對操作人員的化學(xué)訓(xùn)練的強(qiáng)依賴性大大地制約了這兩種自清潔表面技術(shù)在實(shí)際大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用中的可操作性。

最近，吉林大學(xué)汪大洋教授課題組首次報(bào)道了借助簡單的浸涂工藝將聚電解質(zhì)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(fā)現(xiàn)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(tuán)在空氣中會盡可能向內(nèi)翻轉(zhuǎn)重構(gòu)進(jìn)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(tuán)的水合作用使得油膜收縮成油滴，但油滴穩(wěn)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(xiàn)出的自清潔功能可以與其各向同性的分子構(gòu)型密切關(guān)聯(lián)。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(huán)境變化而相應(yīng)在空間翻轉(zhuǎn)重構(gòu)，其與外界環(huán)境直接接觸的極性基團(tuán)數(shù)量保持恒定，從而最大限度地降低了表面重構(gòu)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(gòu)型保證了CNF涂層表面在任何環(huán)境中可以被水高效，穩(wěn)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(jìn)一步借助簡單的浸涂工藝將聚電解質(zhì)多層膜和纖維素納米纖絲（CNF）單層膜先后涂覆在不銹鋼網(wǎng)表面，從而制備出高效的油水分離濾膜。因?yàn)镃NF涂層表面具有優(yōu)異的自清潔功能，無論是高粘度的機(jī)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(shí)現(xiàn)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(shí)際應(yīng)用中的諸多技術(shù)瓶頸，特別是避免操作的復(fù)雜性和化學(xué)技術(shù)的依賴性，有望在清除海上油污染等實(shí)際油水分離領(lǐng)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(gòu)型的相關(guān)性提供一個從分子水平設(shè)計(jì)高分子自清潔表面的全新思路，對自清潔表面技術(shù)的發(fā)展及未來的產(chǎn)業(yè)化都有著重大的啟迪意義。研究成果發(fā)表于《德國應(yīng)用化學(xué)》雜志。