阿尔伯塔大学曾宏波教授《AFM》：构建牢固的纤维素纳米晶多效防污涂层

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超亲水涂层因其高水合性能普遍适用于制备防污涂层。然而，大多数由相对柔软的聚合物组成的亲水涂层容易在外力作用下失去其水合能力，导致表面防污能力受损。最近，纤维素纳米晶（CNC）因其独特的高水合能力，低成本和高强度等特点，在构建高强度防污涂层展现出了巨大潜力。然而，限于超亲水CNC有限的表面粘附特性，如何把CNC整合为牢固的表面涂层仍然是一个巨大的挑战。

受海洋生物粘附策略的启发，加拿大阿尔伯塔大学曾宏波教授团队与Xing-Zhen Chen教授等合作通过引入中间粘附层的方法，开发了一种简单高效的方法将分散的CNC固定为表面涂层的方法。所构建的CNC涂层包含双层结构：中间粘附层以及自组装CNC层。其中，中间粘附层由单宁酸（TA）/聚乙烯亚胺（PEI）/钒离子（V）组成，可在基底上引入大量官能团（例如氨基和邻苯二酚集团）用来锚定CNC。另外，TA/PEI/V中间粘附层的粗糙程度可通过调整V离子浓度控制，以此来调控所形成的CNC涂层的致密程度。

图一. TA/PEI/V-CNC 的设计思路以及形成机制

图二. TA/PEI/V-CNC的形貌以及自组装机理表征

该团队进一步测试了CNC涂层的表面润湿性，CNC涂层的水接触角仅为≈8°，表明CNCs层具有很强的表面亲水性。CNCs涂层在水中的油接触角OCA高达≈170°，证明了CNC涂层展现了超高的防油污性能。此外，由于CNC涂层的超亲水特性，所存在的表面水合层可有效的防治蛋白质吸附和细胞附着。另外，因为CNC涂层表面水合层的润滑作用（μ≈0.09），所制备的CNC涂层展现出了较高的耐磨性，在纳米摩擦机的100次循环摩擦下，CNC涂层的形貌以及表面润湿性能基本保持不变。

图三. TA/PEI/V-CNC的亲水性以及防污表征

所开发的CNCs涂层可以沉积在聚偏二氟乙烯（PVDF）膜上并用于其油/水分离。TA/PEI/V涂层在膜表面表现为一层密集的聚集体。CNCs涂层可以在不牺牲膜的多孔结构的情况下沉积在膜表面（图4），赋予膜对于分离水包甲苯乳液优异的高渗透通量（超过6000 L m^-2 h^-1 bar^–1) 和接近于100%的水通量恢复率（图5）。此外，CNCs修饰过后的PVDF膜在经过酸/碱/盐溶液或超声处理后，其对于水包甲苯乳液分离性未发生明显变化，表明CNCs修饰的膜材料即使在恶劣条件下也具有很好的稳定性。同时，CNCs涂层膜对表面活性剂和其他污染物如BSA均表现出优异的防污性能，这归因于紧密堆积的CNCs涂层在膜表面形成了稳定且致密的水合层。

图四. TA/PEI/V-CNC 改性PVDF膜的扫描电镜照片

图五. TA/PEI/V-CNC 改性PVDF膜的油水分离水通量

相关工作以“A Universal Strategy for Constructing Robust and Antifouling Cellulose Nanocrystal Coating”为题发表在《Advanced Functional Materials》上。阿尔伯塔大学曾宏波教授（加拿大工程院院士）为论文通讯作者，杨闻帅博士生为本论文的第一作者，潘鸣飞博士生为本论文的共同第一作者。该论文得到了加拿大自然科学和工程研究委员会等项目的资助。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202109989

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