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電子科技大學(xué)劉孝波團(tuán)隊(duì)AFM：溶劑調(diào)節(jié)氫鍵交聯(lián)以制備用于油水分離的穩(wěn)定水凝膠

2021.09.09

研究背景

由工業(yè)廢水、原油泄露等帶來的油/水混合物對(duì)環(huán)保、人類健康和生物生存帶來極大威脅，因此需要新的材料或技術(shù)來有效分離這些油/水混合物。近年來，具有高分離效率和低能耗的超潤(rùn)濕功能性膜材料被認(rèn)為是有效的水處理技術(shù)。水凝膠改性多孔基質(zhì)具有超潤(rùn)濕表面(即超親水/水下超疏油)，是用于油水分離的理想材料。但溶脹和復(fù)雜合成過程導(dǎo)致的機(jī)械強(qiáng)度和分離效率下降，限制了其工業(yè)應(yīng)用。

為了解決上述問題，電子科技大學(xué)劉孝波團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種利用乙醇動(dòng)態(tài)調(diào)控聚乙烯醇(PVA) 和單寧酸(TA)間氫鍵交聯(lián)來制備水凝膠涂料的新方法，該涂料可通過簡(jiǎn)單的一步法 (浸漬、涂刷、噴涂等)直接應(yīng)用于多孔基質(zhì)表面，而無需額外交聯(lián)。所制備的水凝膠涂層表現(xiàn)出超高拉伸強(qiáng)度(>10 MPa)、溶脹體積穩(wěn)定性以及良好的油水分離性能 (>99%)。相關(guān)研究成果已發(fā)表在Adv. Funct. Mater. 期刊，題目為“A Solvent Regulated Hydrogen Bond Crosslinking Strategy to Prepare Robust Hydrogel Paint for Oil/Water Separation”。

工作介紹

電子科技大學(xué)劉孝波團(tuán)隊(duì)開發(fā)了簡(jiǎn)單有效的方法，利用乙醇動(dòng)態(tài)調(diào)控水中聚乙烯醇與單寧酸間的氫鍵，從而在金屬網(wǎng)表面形成均勻的水凝膠涂層。聚乙烯醇/單寧酸溶劑體系中乙醇的加入破壞了聚乙烯醇與單寧酸間的強(qiáng)氫鍵作用，所得混合物溶液具有均勻的流動(dòng)性，利于在金屬網(wǎng)基質(zhì)上進(jìn)行涂覆。乙醇蒸發(fā)后，氫鍵又重新形成。所制備的摻雜二氧化硅納米顆粒的聚乙烯醇-單寧酸凝膠層（PVA-TA@SiO₂）具有超高拉伸強(qiáng)度（>10MPa），可保證長(zhǎng)期運(yùn)行過程中涂層的穩(wěn)定性。而且，該凝膠層在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出低膨脹性、與金屬網(wǎng)間良好的粘合性以及穩(wěn)定的超潤(rùn)濕性等特性?；赑VA-TA@SiO₂凝膠層的水截留性能和穩(wěn)定性，所制備的涂層金屬網(wǎng)（M/PVA-TA@SiO₂）可以從油/水混合物中快速分離出水（通量超過6 x 10⁴ L m^-2h^-1），具有超高分離效率（>99%）、耐油污能力，且易于循環(huán)。該研究工作拓寬了水凝膠涂層在水下石油運(yùn)輸、溢油事故處理、生活污水凈化等領(lǐng)域的應(yīng)用前景，提供了涂層界面潤(rùn)濕修飾的新思路，推進(jìn)了水凝膠涂層從實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷綄?shí)際應(yīng)用的進(jìn)程。

圖文詳情

圖1. a) PVA和TA溶解于水中、醇水溶液中的實(shí)物圖。b) 在金屬網(wǎng)表面得到水凝膠涂層不同方法的示意圖。

示意圖1. 乙醇蒸發(fā)時(shí)PVA與TA之間氫鍵的重構(gòu)過程。

圖2. a,b) PVA、TA、PVA-TA及PVA-TA@SiO₂的ATR-FTIR譜圖和XRD圖。c,d) PVA、PVA-TA及PVA-TA@SiO₂水凝膠的TGA和DTG曲線。

圖3. PVA-TA及PVA-TA@SiO₂水凝膠的溶脹和機(jī)械性質(zhì): 水凝膠在極端環(huán)境(a)和PH=2-12(b)的平衡溶脹速率。PVA-TA@SiO₂水凝膠的拉伸測(cè)試圖(c)和極端環(huán)境下應(yīng)力-應(yīng)變曲線(d)。水凝膠在極端環(huán)境(e)和PH=2-12(f)下的拉伸強(qiáng)度。(g)水凝膠在極端條件下溶脹的實(shí)物圖。

示意圖2. 浸涂法制備PVA-TA@SiO₂水凝膠涂層金屬網(wǎng)，及其油/水分離機(jī)理。

圖4. 水凝膠涂層金屬網(wǎng)M/PVA-TA@SiO₂的SEM和EDX圖。

圖5. a) 原始金屬網(wǎng)、M/PVA-TA@SiO₂、M/PVA-TA@SiO₂的水接觸角和水下油接觸角。b) M/PVA-TA@SiO₂對(duì)不同油的水下油接觸角。c)在PH=2-12水中，M/PVA-TA的油接觸角。d)在PH=2-12水中，M/PVA-TA@SiO₂的油接觸角。

圖6. a)在原始金屬網(wǎng)表面和PVA-TA@SiO₂涂層金屬網(wǎng)表面油滴的粘附。b) 原始金屬網(wǎng)和PVA-TA@SiO₂涂層金屬網(wǎng)的水下自清潔能力。

圖7. a) 典型油/水分離實(shí)驗(yàn)過程。b)M/PVA-TA@SiO₂對(duì)于不同油/水混合物的分離效率和通量。c)30次循環(huán)測(cè)試，M/PVA-TA@SiO₂對(duì)于正己烷/水混合物的分離效率和通量。d)在循環(huán)分離實(shí)驗(yàn)中M/PVA-TA@SiO₂的水下油接觸角。e)不同環(huán)境下M/PVA-TA@SiO₂的分離效率和通量。

原文鏈接

Bai, Z., Jia, K., Liu, C., Wang, L., Lin, G., Huang, Y., Liu, S., Liu, X., A Solvent Regulated Hydrogen Bond Crosslinking Strategy toPrepare Robust Hydrogel Paint for Oil/Water Separation. Adv.Funct. Mater. 2021, 2104701.

https://doi.org/10.1002/adfm.202104701

研究團(tuán)隊(duì)介紹

通訊作者：劉孝波

電子科技大學(xué)材料與能源學(xué)院教授、博導(dǎo)。中國(guó)科學(xué)院首批“百人計(jì)劃”、四川省有突出貢獻(xiàn)優(yōu)秀專家、國(guó)務(wù)院政府特殊津貼獲得者；國(guó)家科技獎(jiǎng)評(píng)審專家；承擔(dān)（完成）國(guó)家及省部級(jí)等各類科研項(xiàng)目30余項(xiàng)，先后實(shí)現(xiàn)聚芳醚腈、腈基樹脂及復(fù)合材料等科研成果產(chǎn)業(yè)化。在國(guó)內(nèi)外首次創(chuàng)立芳腈基聚合物研究方向及研究平臺(tái)。主要研究方向有：大分子科學(xué)與工程、剛性棒狀聚合物及其復(fù)合材料的界面特性與流變行為、高分子納米雜化材料的形態(tài)與功能特性、先進(jìn)功能高分子材料的分子設(shè)計(jì)與合成。

END

本文作者：材料委天津院

本文責(zé)編：董香靈

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