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  水凝膠改性的具有超潤濕表面的多孔基底是一種理想的油水分離材料。然而，水凝膠涂層的制造過程通常涉及溶液-凝膠的轉(zhuǎn)化，傳統(tǒng)水凝膠合成過程中聚合、交聯(lián)一體化的過程難以控制，并且可能伴隨著高能耗及環(huán)境污染等風險。此外，考慮到油水分離材料在水環(huán)境應(yīng)用的特殊性，水凝膠固有的溶脹特性會導(dǎo)致凝膠結(jié)構(gòu)的破壞和多孔材料的堵塞。因此，發(fā)展具有特殊超浸潤性及高強度水凝膠涂層的簡便制備方法具有重要意義。

  近日，電子科技大學劉孝波教授課題組通過乙醇動態(tài)調(diào)節(jié)聚乙烯醇(PVA)與單酸(TA)之間氫鍵交聯(lián)的策略，制備了一種“水凝膠漆”，可通過常見的油漆使用方法(浸涂、刷涂、噴涂等)作用于多孔基底表面，無需額外交聯(lián)步驟。PVA與TA之間的高密度氫鍵交聯(lián)確保了水凝膠涂層超高強度(>10Mpa)以及在廣泛環(huán)境下良好的抗溶脹性能。此外，通過向水凝膠漆中添加SiO₂構(gòu)筑的仿生結(jié)構(gòu)涂層展現(xiàn)出的超浸潤性能在油水分離工業(yè)應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大潛力。相關(guān)成果以"A Solvent Regulated Hydrogen Bond Crosslinking Strategy to Prepare Robust Hydrogel Paint for Oil/Water Separation"為題發(fā)表于材料領(lǐng)域國際知名期刊Advanced Functional Materials上。

圖1.浸涂法制備PVA-TA@SiO₂水凝膠漆修飾多孔基底及其油水分離原理。

  如圖1所示，溶劑中乙醇的存在阻礙了PVA與TA的強氫鍵交聯(lián)，避免了PVA與高含量TA共溶過程中產(chǎn)生的凝膠狀沉淀，可通過浸涂、噴涂、刷涂或剪切涂敷等方法大規(guī)模應(yīng)用于多孔基底。結(jié)合乙醇易揮發(fā)的特性，當涂料中乙醇逐漸蒸發(fā)后，PVA與TA的強氫鍵交聯(lián)重新建立，實現(xiàn)了水凝膠漆從溶液到凝膠的轉(zhuǎn)變。得益于PVA與TA之間的高交聯(lián)密度，水凝膠在廣泛應(yīng)用環(huán)境下具有超高的抗張強度及溶脹穩(wěn)定性，保證了涂層在現(xiàn)實應(yīng)用中的實用性。

圖2.凝膠在不同環(huán)境下的溶脹性能和力學性能。

圖3. PVA-TA@SiO₂水凝膠漆修飾的多孔基底浸潤性表征。

  在水環(huán)境下，多孔基底表面的三維網(wǎng)絡(luò)水凝膠涂層吸水達到平衡狀態(tài)。涂層中引入SiO₂構(gòu)建的仿生納米結(jié)構(gòu)使水凝膠表面捕獲更多的水，實現(xiàn)超疏油性。如圖3所示，水凝膠涂層在廣泛的酸堿環(huán)境下對各類油滴展現(xiàn)出優(yōu)異的超疏油性，具有良好的油水分離性能。

  綜上所述，作者通過一種簡單的溶劑調(diào)控方法，實現(xiàn)了水凝膠漆應(yīng)用過程中溶液-凝膠可控轉(zhuǎn)變，得到的水凝膠涂層展現(xiàn)出超高的力學強度及優(yōu)異的油水分離性能，有望為工業(yè)場景的油水分離水凝膠涂層的設(shè)計制備提供新的思路。該論文工作由電子科技大學先進功能高分子材料團隊獨立完成，論文第一作者是博士生白忠祥，通訊作者是賈坤副教授和劉孝波教授，上述工作得到國家自然科學基金面上項目（51773028, 52073039）的資助。

  電子科技大學先進功能高分子材料團隊在俄羅斯自然科學院外籍院士劉孝波教授帶領(lǐng)下，先后完成了國產(chǎn)化特種高分子聚芳醚腈及耐高溫腈基聚合物的工業(yè)化生產(chǎn)。近年來該團隊圍繞環(huán)境治理需求，通過分子設(shè)計合成、聚集態(tài)結(jié)構(gòu)調(diào)控與成型技術(shù)優(yōu)化，開發(fā)了系列可用于污染物分離（Journal of Membrane Science，2021, 620, 118828）、吸附（Journal of Hazardous Materials, 2021, 405, 124263; Composites Part B: Engineering, 2019, 177, 107414）與在線檢測（Sensors and Actuators B: Chemical, 2021, 334, 129611; Chemical Engineering Journal, 2020, 395, 125123）的水凝膠、多孔膜、納米微球等特種功能高分子材料，進一步拓展了聚芳醚特種高分子功能化研究體系。

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202104701