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lchaoxu 2022-11-3 948

吉林大学汪大洋教授《德国应化》:阴离子水合作用新发现!可用于制备自清洁涂层

来源:高分子科学前沿|

亲水性聚合物涂料的极性基团具有水合能力,因此亲水性聚合物涂层可以通过冲洗或其他简单操作进行表面清洁,其可以用于清洁工业和家庭零件的清洁剂。水合几乎不取决于环境性质,只要表面极性基团在与水接触时能被强烈水合,这种表面水合持久性就可以转化为出色的自清洁表面功能。迄今为止,只有氧化的纤维素纳米原纤维和两性离子聚合物可以同时显示出强而持久的表面水合作用,而与其相关的合成问题是这些亲水性聚合物涂料的技术瓶颈。因此,迫切需要开发一种容易制备的亲水性聚合物涂料。



近日,吉林大学汪大洋教授团队在《德国应化》上介绍了一种通过用简单的阴离子(例如SO42-离子)代替1,1-二甲基吡咯烷鎓(DMP)单元的抗衡离子(Cl-离子),将粘附油的聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDADMAC)涂层转化为自清洁表面的方法。作者发现油在PDADMA-X表面上在水作用下的宏观去湿性能是由X阴离子的微观特性(粘度B系数(Bη))决定的。证明了当其表面X阴离子的Bη为正时,PDADMA-X涂层表现出出色的自清洁表面功能。由于Bη的温度依赖性,当水温升至表面Cl-离子的负Bη符号转换为正时,亲油的PDADMA-Cl涂层可在水作用下自清洁。


图1. PDADMA-X表面的正Bη阴离子与负Bη阴离子的可逆置换原理图,从而在水的作用下将粘油表面转化为自清洁表面。


PDADMAC和聚(苯乙烯磺酸钠)(PSS)交替沉积在硅片上成(PDADMAC / PSS)4.5层膜(PDADMA-Cl在表面);所得膜的表面粗糙度低于3 nm,已知它们过量的Cl-离子专门作为表面抗衡离子位于最外层PDADMA-Cl上。将所得薄膜在不同电解质(如Na2SO4)的水溶液中培养,进行表面抗衡阴离子交换,以产生PDADMA-X表面,并通过流动电流技术对其进行监测。在PDADMA-Cl表面的流动电流达到平衡后,将流动的电解质溶液从NaCl切换为Na2SO4会引起流动电流的明显跳动,迅速下降至稳定值,这表明Cl-离子被表面上的SO42-离子置换。


图2. a) 流动的电解液从浓度为100 mM的NaCl切换为Na2SO4(○)后立即记录的PDADMA-Cl表面流动电流的时间演变。b) 制备的PDADMA-X表面的Zeta电位值汇总。


由于其离子性质,所有PDADMA-X表面均具有亲水性,但是在空气和油中这些聚阳离子表面上实验测得的水的前进接触角显示出与表面X阴离子特性的随机联系,包括半径,电荷,极化率,溶致数,Bη和典型Hofmeister系列中的位置。作者计算水在油中的前进接触角实验值与计算值的偏差,以辨别表面重建对PDADMA-X表面水润湿的影响。作者将PDADMA-X表面分成两类,以5°为基准。一类大于5°,显示出对水中油的显着亲和力。另一类小于5°,将油污表面浸入水中后可以迅速而完全地将油分离出来,具有很强的自洁性。


图2. a)PDADMA-X表面的水在油中的前进接触角偏差和流体相改变时的质量变化值与表面X阴离子Bη值的关系图。b,c)将沾满油的PDADMA-Cl(b)和PDADMA-SO4表面(c)浸入水中之后立即拍摄的一系列照片。


PDADMA-SO4表面表现出相当强的抵抗油污/水冲洗的能力,并且可以在衰减后在Na2SO4中重新培养而恢复。得益于这种坚固性和易于回收的特性,可以很容易地使用自清洁PDADMA-SO4涂层,将常规的钢或聚合物筛网转换为有效的分离膜,从而能够从水中过滤或脱油,而无需事先用水润湿,这将对实际使用产生技术上的好处。在此,在PDADMA-Cl表面上进行区域选择性表面抗衡离子交换,以使表面带有SO42-离子。当图案化的表面完全被空气中的油污染,然后浸入水中时,与PDADMA-Cl相比,油污膜在PDADMA-SO4域上会经历更快,更明显的收缩,最终导致油在膜上的选择性积聚。


图4. a)将两个塑料管浸入油红色O染色的低芥酸菜籽油(上层)和水(下层)的两相混合物中时拍摄的一系列照片。b)将沾满油的PDADMA-X表面浸入水中后拍摄的一系列照片。


水温升高到35°C以上时,Cl-离子的Bη会从负变正。受此启发,油污的PDADMA-Cl表面被浸入温水中。当水温升高到35°C以上时,浸入水中的油完全脱离了PDADMA-Cl表面,并且随着水温的进一步升高,去油时间从35°C的70s降至40°C的6s,然后在高于45°C的温度下2s脱离,这与在PDADMA-SO4表面上观察到的相当。由于这种温度感应的自清洁表面功能,干燥的PDADMA-Cl涂层钢网可以从35°C或更高温度的温水中脱脂。这些数据极大地支持了PDADMA-X表面的自清洁功能与表面X阴离子的正Bη符号的关联。


图5. a)将沾满油的PDADMA-Cl表面浸入35、40、45和50°C的水中后拍摄的一系列照片。b)在水中的PDADMA-Cl表面完全除油所需的时间(◼)和表面Cl-阴离子的Bη值(●)与水相温度的关系图。c)使用带有PDADMA-Cl涂层,孔径为25μm钢丝网的塑料管从35、40和45°C的水中脱除菜籽油时拍摄的一系列照片。


在各种基材上进行表面离子交换和聚电解质自组装的操作简便性,以及大量带有正Bη的简单阴离子(例如SO42-离子),使得PDADMA-X表面在许多技术应用中成为一种非常简单的自清洁涂层策略,例如批量生产油水分离膜,这可能引起人们极大的兴趣。


全文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202002819”

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