東南大學(xué)張友法教授：一種用于油煙高效預(yù)過(guò)濾的油下超親水泡沫金屬

2024-10-22 來(lái)源：高分子科技

油煙（Lampblack）是日常烹飪過(guò)程中產(chǎn)生的一種復(fù)雜混合物，主要由小液滴、氣體和固體顆粒組成，過(guò)量吸入會(huì)對(duì)肺部及心腦血管系統(tǒng)造成嚴(yán)重?fù)p傷。抽油煙機(jī)可以減輕與油煙排放有關(guān)的危害，其處理油煙包括三個(gè)階段：預(yù)過(guò)濾、離心分離和靜電降解。在預(yù)過(guò)濾階段，油煙機(jī)內(nèi)的泡沫金屬格柵會(huì)攔截大部分的油和水滴，但隨著油滴的積累污染，金屬格柵需要頻繁地清洗以保持過(guò)濾效果，這浪費(fèi)了大量的人力和財(cái)力。因此，開(kāi)發(fā)一種經(jīng)濟(jì)耐用的涂層技術(shù)來(lái)提高預(yù)過(guò)濾金屬格柵的自清潔性是十分必要且迫切的。

近年來(lái)，科學(xué)家們一直在嘗試用超雙疏涂層技術(shù)解決這一問(wèn)題，通過(guò)排斥油滴在油煙機(jī)器件表面的直接粘附，延長(zhǎng)其清洗周期。然而，盡管有許多關(guān)于先進(jìn)超雙疏涂層的報(bào)道，但針對(duì)油煙預(yù)過(guò)濾領(lǐng)域，這種策略仍然存在成本高昂、耐久性嚴(yán)重不足、表觀性差等突出問(wèn)題。超親水表面在水下同樣表現(xiàn)出疏油特性，因此困在泡沫格柵中的油污可僅在水洗條件下實(shí)現(xiàn)快速脫附，且超親水涂層易于實(shí)現(xiàn)成本性、工藝性和表觀性的兼顧。然而，目前針對(duì)油煙預(yù)過(guò)濾領(lǐng)域開(kāi)發(fā)超親水涂層還未有相關(guān)研究進(jìn)展。

基于此，東南大學(xué)張友法教授團(tuán)隊(duì)采用交聯(lián)強(qiáng)化策略，優(yōu)選小粒徑（7-40nm）納米二氧化硅顆粒作為涂層填料，構(gòu)建了納米級(jí)粗糙度的油下超親水涂層，利用聚硅酸鋰（LSH）在200℃下與納米二氧化硅顆粒進(jìn)行脫水交聯(lián)生成網(wǎng)絡(luò)狀硅氧硅（Si-O-Si）結(jié)構(gòu)，顯著增強(qiáng)了超親水涂層基體的力學(xué)性能，在保證優(yōu)異去油能力的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了涂層耐用性的強(qiáng)化。相關(guān)成果以“Oil-resistant underoil superhydrophilic metallic foams for lampblack pre-filtration” 為題，發(fā)表于《ACS AMI》，東南大學(xué)博士生陳俊旭為第一作者，張友法為通訊作者。

Fig. 1 LSH油下超親水泡沫金屬過(guò)濾油煙示意圖

LSH油下超親水泡沫金屬在油煙預(yù)過(guò)濾中的作用如上圖1所示。油煙中含有大量微小的油、水液滴，得益于改性后泡沫金屬的突出油下親水性，接觸到油煙后，水蒸氣和微小水滴迅速覆蓋泡沫金屬纖維形成水膜，阻礙油滴的黏附，先吸附的油滴也在與水的競(jìng)爭(zhēng)吸附中被置換出來(lái)，因此不同于傳統(tǒng)未改性泡沫金屬的直接黏附，LSH油下超親水泡沫金屬在過(guò)濾油煙的過(guò)程中，油相一直處于動(dòng)態(tài)脫附過(guò)程。這種方法不僅能夠延長(zhǎng)泡沫金屬的單次使用壽命，還能夠使其僅在自來(lái)水的沖洗下實(shí)現(xiàn)性能再生，是一種效果顯著、低成本且可規(guī)�；母男圆呗浴�

Fig. 2 LSH油下超親水涂層的設(shè)計(jì)與泡沫金屬改性前后的潤(rùn)濕性對(duì)比

LSH油下超親水涂層可用簡(jiǎn)單的浸涂方法進(jìn)行改性，其設(shè)計(jì)原理和基本潤(rùn)濕性能如圖2a-c所示。作者主要利用聚硅酸鋰LSH在200℃下的短時(shí)高溫脫水縮合反應(yīng)即高溫固化，構(gòu)建了致密均勻的硅氧硅共價(jià)網(wǎng)絡(luò)，增強(qiáng)了涂層的耐用性；硅氧硅網(wǎng)絡(luò)內(nèi)游離的磺酸基親水助劑和流平劑則強(qiáng)化了涂層的親水性。與未處理的泡沫金屬進(jìn)行對(duì)比，LSH改性的泡沫金屬展現(xiàn)了顯著的粘稠油脫附能力及油下親水性，而未改性泡沫金屬既無(wú)油脫附能力也無(wú)油下親水性。

Fig. 3 LSH涂層改性的泡沫金屬格柵與原始格柵的油煙預(yù)過(guò)濾性能對(duì)比

如圖3所示，得益于LSH涂層優(yōu)異的油下超親水性和耐用性，LSH涂層改性泡沫金屬展現(xiàn)了更好的脫油效果與使用壽命。圖3b-c展示了在經(jīng)過(guò)17天的實(shí)際烹飪測(cè)試后，原始格柵的表面呈黃棕色，質(zhì)量增加了15.7%，而LSH涂層改性樣品顯示出更淺的顏色，質(zhì)量增加僅為6.4%。簡(jiǎn)單水沖洗后，前者內(nèi)部孔隙仍然被油脂嚴(yán)重堵塞，且增重仍有7.8%，后者內(nèi)部孔洞觀察不到明顯的油污殘留，增重也下降至3.3%。

小結(jié)：綜上所述，采用聚硅酸鋰（LSH）與納米二氧化硅顆粒進(jìn)行交聯(lián)強(qiáng)化是一種極具應(yīng)用前景的涂層強(qiáng)化技術(shù)。本研究開(kāi)發(fā)了一種新型的LSH涂層，采用簡(jiǎn)單的浸涂法，并在200°C下加熱5分鐘。該涂層表現(xiàn)出優(yōu)異的油下超親水性（UO-WCA = 3.4°），能夠通過(guò)水沖洗有效去除油滴。LSH涂層即使經(jīng)過(guò)900次摩擦循環(huán)（500克負(fù)載）和在50°C的肥皂水中浸泡48小時(shí)后，仍能保持超親水性（WCA = 8.9°）。此外，經(jīng)過(guò)LSH涂層處理的金屬泡沫在噴油測(cè)試、油浸泡測(cè)試和實(shí)際烹飪測(cè)試中均表現(xiàn)出了顯著較低的增重，其表面也保持了銀灰色金屬光澤，沒(méi)有明顯的油污粘附，說(shuō)明該策略在提高油煙預(yù)過(guò)濾效率和延長(zhǎng)預(yù)過(guò)濾泡沫金屬格柵使用壽命等方面具有巨大應(yīng)用潛力。

原文鏈接：

Chen, J.; Deng, W.; Wang, W.; Liu, J.; Zhang, M.; Liu, X.; Hu, Y.; Zhang, P; Yu, X.；Zhang,Y.

Oil-Resistant Underoil Superhydrophilic Metallic Foams for Lampblack Prefiltration. ACS Appl. Mater. Interfaces 2024. DOI: 10.1021/acsami.4c13153

https://doi.org/10.1021/acsami.4c13153

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（責(zé)任編輯：xu）

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Chen, J.; Deng, W.; Wang, W.; Liu, J.; Zhang, M.; Liu, X.; Hu, Y.; Zhang, P; Yu, X.；Zhang,Y.

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