华南理工大学：超疏水油水分离材料方面取得进展
随着科学技术的快速发展，多种超疏水表面被制备出来，在自清洁、防雾、防冰、防腐蚀等方面有着广阔的应用前景。将超疏水表面构造在网状或多孔性物质上，可以实现油水分离，这在控制或减轻由石油频繁泄露所引起的海洋污染方面展现出巨大的应用潜力，十分有助于保护海洋环境和推动海洋产业的可持续发展！
然而，目前制备油水分离材料大多存在着工艺过程繁琐、仪器设备昂贵或需引入有毒的含氟特殊单体等缺点，在较大程度上限制了其实际应用。
最近，华南理工大学曾幸荣教授课题组李红强副教授发现了一种成本低、无污染、无氟、效率高且简单易行无需复杂设备的构造基于织物的超疏水表面的方法。该研究发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上，第一作者为苏晓竞。
图1 超疏水织物的制备示意图
该方法采用价格便宜的正硅酸乙酯（TEOS）和含端羟基的聚二甲基硅氧烷（PDMS）为原料，以挥发性的盐酸为催化剂，通过气-液溶胶凝胶法直接在织物上构造出PDMS@二氧化硅（SiO2）有机无机超疏水表面（图1）。PDMS作为低表面能物质，能够赋予表面疏水性；而TEOS通过吸附挥发的酸发生溶胶凝胶反应，生成的纳米SiO2颗粒由于与PDMS较大的极性差异会逐渐发生微相分离，形成PDMS@SiO2微聚集体从而构造粗糙度，赋予织物超疏水特性；同时SiO2上的硅羟基也会在酸的作用下进一步与PDMS上的端羟基发生反应，形成以微聚集二氧化硅为交联点的网络结构，赋予织物优良的耐久性。通过不同反应时间下的织物扫描电镜图发现，反应前期以TEOS的水解和缩聚反应为主，而后期以SiO2和PDMS的羟基缩合为主（图2），整个反应过程仅需60min。
图2织物在不同反应时间下的扫描电镜图（a、b、c和d分别对应0min、20min、40min和60min）
进一步研究发现，超疏水织物在水、各种有机溶剂、强酸、强碱、沸水和冰水中长时间浸泡后仍能保持优良的疏水性能。令人惊奇的是，该织物即使经过超声18h、洗涤96个循环或磨损600个循环后，接触角仍大于150°（图3）。此外，将超疏水织物用于油水分离，表现出优良的分离效率和可循环使用性。该方法具有成本低廉、绿色环保、操作简便、无需复杂设备等优点，且制备的超疏水织物具有优异的化学稳定性和力学耐久性，即使在严苛的环境下也能保持长期的超疏水性。
图3 超疏水织物的化学及力学稳定性
此外，该课题组还通过简单的化学置换反应、浸泡和紫外光固化在铁片上制备出了基于聚硅氧烷的超疏水表面，水接触角达153.5°。经紫外光辐照180min，其水接触角可降低至0度，呈现超亲水性质；而在放置7天时间后，该表面又可逐渐恢复至140°，重现良好的疏水性（图4）。这主要归因于在紫外光辐照下亲水性类二氧化硅层的生成和储存过程中小分子有机硅氧烷链段向表面的迁移。通过此方法在铁丝网上构造超疏水表面后可用于油水分离，分离效率约97%。此项工作发表在2017年初的《ACS Applied Materials& Interfaces》上，第一作者为苏晓竞。
图4超疏水铁片的润湿性转变
论文链接：
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.7b08920
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.6b13901
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