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  隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，多種超疏水表面被制備出來，在自清潔、防霧、防冰、防腐蝕等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。將超疏水表面構(gòu)造在網(wǎng)狀或多孔性物質(zhì)上，可以實(shí)現(xiàn)油水分離，這在控制或減輕由石油頻繁泄露所引起的海洋污染方面展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，十分有助于保護(hù)海洋環(huán)境和推動(dòng)海洋產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展！

  然而，目前制備油水分離材料大多存在著工藝過程繁瑣、儀器設(shè)備昂貴或需引入有毒的含氟特殊單體等缺點(diǎn)，在較大程度上限制了其實(shí)際應(yīng)用。

  最近，華南理工大學(xué)曾幸榮教授課題組李紅強(qiáng)副教授發(fā)現(xiàn)了一種成本低、無污染、無氟、效率高且簡單易行無需復(fù)雜設(shè)備的構(gòu)造基于織物的超疏水表面的方法。該研究發(fā)表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上，第一作者為蘇曉競。

圖1 超疏水織物的制備示意圖

  該方法采用價(jià)格便宜的正硅酸乙酯（TEOS）和含端羥基的聚二甲基硅氧烷（PDMS）為原料，以揮發(fā)性的鹽酸為催化劑，通過氣-液溶膠凝膠法直接在織物上構(gòu)造出PDMS@二氧化硅（SiO2）有機(jī)無機(jī)超疏水表面（圖1）。PDMS作為低表面能物質(zhì)，能夠賦予表面疏水性；而TEOS通過吸附揮發(fā)的酸發(fā)生溶膠凝膠反應(yīng)，生成的納米SiO2顆粒由于與PDMS較大的極性差異會(huì)逐漸發(fā)生微相分離，形成PDMS@SiO2微聚集體從而構(gòu)造粗糙度，賦予織物超疏水特性；同時(shí)SiO2上的硅羥基也會(huì)在酸的作用下進(jìn)一步與PDMS上的端羥基發(fā)生反應(yīng)，形成以微聚集二氧化硅為交聯(lián)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，賦予織物優(yōu)良的耐久性。通過不同反應(yīng)時(shí)間下的織物掃描電鏡圖發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)前期以TEOS的水解和縮聚反應(yīng)為主，而后期以SiO2和PDMS的羥基縮合為主（圖2），整個(gè)反應(yīng)過程僅需60min。

圖2織物在不同反應(yīng)時(shí)間下的掃描電鏡圖（a、b、c和d分別對(duì)應(yīng)0min、20min、40min和60min）

  進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，超疏水織物在水、各種有機(jī)溶劑、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、沸水和冰水中長時(shí)間浸泡后仍能保持優(yōu)良的疏水性能。令人驚奇的是，該織物即使經(jīng)過超聲18h、洗滌96個(gè)循環(huán)或磨損600個(gè)循環(huán)后，接觸角仍大于150°（圖3）。此外，將超疏水織物用于油水分離，表現(xiàn)出優(yōu)良的分離效率和可循環(huán)使用性。該方法具有成本低廉、綠色環(huán)保、操作簡便、無需復(fù)雜設(shè)備等優(yōu)點(diǎn)，且制備的超疏水織物具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和力學(xué)耐久性，即使在嚴(yán)苛的環(huán)境下也能保持長期的超疏水性。

圖3 超疏水織物的化學(xué)及力學(xué)穩(wěn)定性

  此外，該課題組還通過簡單的化學(xué)置換反應(yīng)、浸泡和紫外光固化在鐵片上制備出了基于聚硅氧烷的超疏水表面，水接觸角達(dá)153.5°。經(jīng)紫外光輻照180min，其水接觸角可降低至0度，呈現(xiàn)超親水性質(zhì)；而在放置7天時(shí)間后，該表面又可逐漸恢復(fù)至140°，重現(xiàn)良好的疏水性（圖4）。這主要?dú)w因于在紫外光輻照下親水性類二氧化硅層的生成和儲(chǔ)存過程中小分子有機(jī)硅氧烷鏈段向表面的遷移。通過此方法在鐵絲網(wǎng)上構(gòu)造超疏水表面后可用于油水分離，分離效率約97%。此項(xiàng)工作發(fā)表在2017年初的《ACS Applied Materials& Interfaces》上，第一作者為蘇曉競。

圖4超疏水鐵片的潤濕性轉(zhuǎn)變

  論文鏈接：

  http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.7b08920

  http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.6b13901