由表面化學(xué)性質(zhì)及材料自身多尺度結(jié)構(gòu)所驅(qū)動(dòng)的單向液體傳輸如單向?qū)蜗驅(qū)в驮谖⒘骺、油水分離、液體閥門(mén)及智能纖維膜材料表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。到目前為止,單向?qū)в筒牧现荒茉趩我唤橘|(zhì)中(空氣中或水中)發(fā)揮作用,環(huán)境介質(zhì)的變化會(huì)破壞單向?qū)в托阅。能夠同時(shí)在空氣和水中(兩棲)具有單向?qū)в湍芰Χ嗫撞牧系闹苽涑蔀橐环N巨大挑戰(zhàn)。此外,提高單向?qū)в头(wěn)定性和涂層牢度仍然是目前亟待解決的難題。
在近期研究中,青島大學(xué)周華教授、牛海濤副教授與迪肯大學(xué)林童教授合作,通過(guò)分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種新型的兩棲(空氣中和水中)單向?qū)в蚃anus紡織材料。該材料由兩步法制備而成,首先,通過(guò)浸漬涂層將兩種分別帶有親水和親油官能團(tuán)的化合物處理在滌綸紡織材料表面,經(jīng)過(guò)交聯(lián)處理后的滌綸基材表現(xiàn)出良好的兩棲超親油性能。其次,采用靜電噴涂的方法將具有兩棲親水-疏油官能團(tuán)的含氟聚合物處理在滌綸紡織材料的一側(cè),使處理后的滌綸材料兩側(cè)分別具有超親油和超疏油的相反潤(rùn)濕性。通過(guò)調(diào)整靜電噴涂工藝可以控制疏油涂層在織物表面分布及內(nèi)部的滲透厚度,當(dāng)涂層厚度合適時(shí),該Janus材料表現(xiàn)出穩(wěn)定的兩棲單向?qū)в托阅埽徽撛诳諝庵羞是水中,都可以自動(dòng)的將油(表面能在24-32mN/m范圍內(nèi),如植物油、柴油、十六烷、十二烷等)由疏油側(cè)傳輸?shù)接H油側(cè),而反方向傳輸則被阻止。
此外,由于分子間的相互作用以及交聯(lián),經(jīng)過(guò)處理的Janus材料具有良好的涂層牢度,經(jīng)過(guò)反復(fù)洗滌、磨損、長(zhǎng)久儲(chǔ)存及強(qiáng)酸強(qiáng)堿腐蝕后,仍保持原有的兩棲單向?qū)в托再|(zhì)。這種新型Janus單向?qū)в筒牧峡捎糜趦蓷?水分離和水下油收集,并可在液體輸送、捕獲及分離、微流體器件、智能紡織材料的開(kāi)發(fā)中得到應(yīng)用。
圖1. a) 具有不同親水、親油及疏油官能團(tuán)化合物分子結(jié)構(gòu)以及交聯(lián)反應(yīng),b) 兩棲單向?qū)в蜏炀]織物處理過(guò)程示意圖。
圖2.涂層量隨靜電噴涂時(shí)間的變化,b,c)視頻截圖顯示處理后Janus滌綸織物分別在空氣中和水中單向?qū)в吞匦裕ú裼,液滴大小?0μL),d,e) 柴油在Janus織物兩面接觸角隨靜電噴涂時(shí)間的變化,f,g)共聚焦顯微鏡圖像顯示未處理織物截面,以及靜電噴涂后織物截面圖像,紅色區(qū)域?yàn)殪o電噴涂層,h)Janus織物兩面油滲透壓隨靜電噴涂時(shí)間的變化。
圖3. a, b) 植物油(藍(lán))/水(紅)通過(guò)Janus織物基材分離過(guò)程:a)當(dāng)基材未噴涂面(N-side)朝上時(shí),水可以通過(guò)而油被阻止實(shí)現(xiàn)分離,b)當(dāng)基材噴涂面(S-side)朝上時(shí),油水則都可以通過(guò),c)視頻截圖顯示單向?qū)в蚃anus材料具有水下油收集性能。
上述工作近期發(fā)表在CEJ上(Chem.Eng.J. doi.org/10.1016/j.cej.2021.131936)。論文第一作者及通訊作者為青島大學(xué)周華教授,共同通訊作者為青島大學(xué)牛海濤副教授與迪肯大學(xué)林童教授。
論文鏈接:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894721035166
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