Appl. Surf. Sci.：利用卡宾插入反应修饰天然高分子材料，实现快速、高效的油水分离

含油生活污水和工业废水的排放、石油运输泄漏或井喷事故等事件已经严重威胁到生态环境、海洋物种和人类健康。因此，寻找更高效、更环保的油水分离材料和方法至关重要。而且，在实际应用中对材料挤压和扭转等机械操作不可避免，对材料的耐久性和重复使用性要求越来越高。

近日，齐鲁工业大学化学与化工学院杨鹏飞副教授报道了一种基于卡宾插入反应的表面疏水修饰方法，用于处理各类聚合物表面（纤维素气凝胶、纸浆板、滤纸、棉布、明胶静电纺丝膜、超细聚丙烯纤维等），实现快速、高效的油水分离。相关工作近期以题为“Synthesis and carbene-insertion preparation of hydrophobic natural polymer materials for rapid and efficient oil/water separation”发表在Applied Surface Science 2022, 581: 152394.（DOI: 10.1016/j.apsusc.2021.152394），文章的第一作者是硕士研究生井立苓，唯一通讯作者是杨鹏飞副教授，文章作者：井立苓、杨鹏飞、Mark G. Moloney、张志良、王永清、李俊英、马烽、李剑。

（图片来源：Appl. Surf. Sci.）

作者首先合成了两类带有疏水性官能团（长链烷烃、全氟烷烃）的芳基重氮烷，然后通过以下2个步骤对各种基材实施表面修饰：（I）通过浸渍法在基材表面均匀涂覆功能化重氮烷；（II）重氮烷经热分解生成高活性卡宾中间体，进而迅速与底物分子中的X-H键（X=O，C，…）发生插入反应，实现疏水官能团与基材的永久性共价结合，反应机理如图1所示。

图1. 卡宾表面修饰的反应机理图：（i）120 °C；（ii）-.

（图片来源：Appl. Surf. Sci.）

研究发现：材料的表面形貌、热性质、比表面积等在修饰前后基本不变，而表面元素、接触角等则发生了显著变化；这表明卡宾表面修饰技术可在保持材料本体性质不变的前提下，调节材料的表面性质。典型的SEM照片、XPS谱图分别如图2、图3所示。

图2. 纤维素气凝胶（a）、纸浆板（b）、棉布（c）、滤纸（d）在修饰前后的SEM照片：（a₁~d₁） 修饰前；（a₂~d₂）修饰后

（图片来源：Appl. Surf. Sci.）

图3. 纤维素气凝胶（a）、纸浆板（b）、棉布（c）在修饰前后的XPS谱图

（图片来源：Appl. Surf. Sci.）

改性后的材料对油水混合物及油包水乳液表现出良好的分离性能（图4）及优异的耐强酸、耐强碱、耐高盐等化学稳定性（图5）。

图4. 材料的油水分离性能测试：（a）修饰后的纤维素气凝胶分离油水混合物；（b）修饰后的滤纸分离油包水乳液

（图片来源：Appl. Surf. Sci.）

图5. 材料的化学稳定性测试

（图片来源：Appl. Surf. Sci.）

总之，本研究报道了一种通过材料后修饰引入疏水性官能团的策略，简便有效，丰富了卡宾表面修饰的应用领域；以该法制备的疏水性油水分离材料，具有优异的分离性能和化学稳定性，展现出良好的应用前景。

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