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  水凝膠改性的具有超潤(rùn)濕表面的多孔基底是一種理想的油水分離材料。然而，水凝膠涂層的制造過程通常涉及溶液-凝膠的轉(zhuǎn)化，傳統(tǒng)水凝膠合成過程中聚合、交聯(lián)一體化的過程難以控制，并且可能伴隨著高能耗及環(huán)境污染等風(fēng)險(xiǎn)。此外，考慮到油水分離材料在水環(huán)境應(yīng)用的特殊性，水凝膠固有的溶脹特性會(huì)導(dǎo)致凝膠結(jié)構(gòu)的破壞和多孔材料的堵塞。因此，發(fā)展具有特殊超浸潤(rùn)性及高強(qiáng)度水凝膠涂層的簡(jiǎn)便制備方法具有重要意義。

  近日，電子科技大學(xué)劉孝波教授課題組通過乙醇動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)聚乙烯醇(PVA)與單酸(TA)之間氫鍵交聯(lián)的策略，制備了一種“水凝膠漆”，可通過常見的油漆使用方法(浸涂、刷涂、噴涂等)作用于多孔基底表面，無需額外交聯(lián)步驟。PVA與TA之間的高密度氫鍵交聯(lián)確保了水凝膠涂層超高強(qiáng)度(>10Mpa)以及在廣泛環(huán)境下良好的抗溶脹性能。此外，通過向水凝膠漆中添加SiO₂構(gòu)筑的仿生結(jié)構(gòu)涂層展現(xiàn)出的超浸潤(rùn)性能在油水分離工業(yè)應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大潛力。相關(guān)成果以"A Solvent Regulated Hydrogen Bond Crosslinking Strategy to Prepare Robust Hydrogel Paint for Oil/Water Separation"為題發(fā)表于材料領(lǐng)域國(guó)際知名期刊Advanced Functional Materials上。

圖1.浸涂法制備PVA-TA@SiO₂水凝膠漆修飾多孔基底及其油水分離原理。

  如圖1所示，溶劑中乙醇的存在阻礙了PVA與TA的強(qiáng)氫鍵交聯(lián)，避免了PVA與高含量TA共溶過程中產(chǎn)生的凝膠狀沉淀，可通過浸涂、噴涂、刷涂或剪切涂敷等方法大規(guī)模應(yīng)用于多孔基底。結(jié)合乙醇易揮發(fā)的特性，當(dāng)涂料中乙醇逐漸蒸發(fā)后，PVA與TA的強(qiáng)氫鍵交聯(lián)重新建立，實(shí)現(xiàn)了水凝膠漆從溶液到凝膠的轉(zhuǎn)變。得益于PVA與TA之間的高交聯(lián)密度，水凝膠在廣泛應(yīng)用環(huán)境下具有超高的抗張強(qiáng)度及溶脹穩(wěn)定性，保證了涂層在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中的實(shí)用性。

圖2.凝膠在不同環(huán)境下的溶脹性能和力學(xué)性能。

圖3. PVA-TA@SiO₂水凝膠漆修飾的多孔基底浸潤(rùn)性表征。

  在水環(huán)境下，多孔基底表面的三維網(wǎng)絡(luò)水凝膠涂層吸水達(dá)到平衡狀態(tài)。涂層中引入SiO₂構(gòu)建的仿生納米結(jié)構(gòu)使水凝膠表面捕獲更多的水，實(shí)現(xiàn)超疏油性。如圖3所示，水凝膠涂層在廣泛的酸堿環(huán)境下對(duì)各類油滴展現(xiàn)出優(yōu)異的超疏油性，具有良好的油水分離性能。

  綜上所述，作者通過一種簡(jiǎn)單的溶劑調(diào)控方法，實(shí)現(xiàn)了水凝膠漆應(yīng)用過程中溶液-凝膠可控轉(zhuǎn)變，得到的水凝膠涂層展現(xiàn)出超高的力學(xué)強(qiáng)度及優(yōu)異的油水分離性能，有望為工業(yè)場(chǎng)景的油水分離水凝膠涂層的設(shè)計(jì)制備提供新的思路。該論文工作由電子科技大學(xué)先進(jìn)功能高分子材料團(tuán)隊(duì)獨(dú)立完成，論文第一作者是博士生白忠祥，通訊作者是賈坤副教授和劉孝波教授，上述工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（51773028, 52073039）的資助。

  電子科技大學(xué)先進(jìn)功能高分子材料團(tuán)隊(duì)在俄羅斯自然科學(xué)院外籍院士劉孝波教授帶領(lǐng)下，先后完成了國(guó)產(chǎn)化特種高分子聚芳醚腈及耐高溫腈基聚合物的工業(yè)化生產(chǎn)。近年來該團(tuán)隊(duì)圍繞環(huán)境治理需求，通過分子設(shè)計(jì)合成、聚集態(tài)結(jié)構(gòu)調(diào)控與成型技術(shù)優(yōu)化，開發(fā)了系列可用于污染物分離（Journal of Membrane Science，2021, 620, 118828）、吸附（Journal of Hazardous Materials, 2021, 405, 124263; Composites Part B: Engineering, 2019, 177, 107414）與在線檢測(cè)（Sensors and Actuators B: Chemical, 2021, 334, 129611; Chemical Engineering Journal, 2020, 395, 125123）的水凝膠、多孔膜、納米微球等特種功能高分子材料，進(jìn)一步拓展了聚芳醚特種高分子功能化研究體系。

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202104701