吉林大學汪大洋教授《德國應化》:陰離子水合作用新發現!可用於制備自清潔塗層

親水性聚合物塗料的極性基團具有水合能力,因此親水性聚合物塗層可以通過沖洗或其他簡單操作進行表面清潔,其可以用於清潔工業和傢庭零件的清潔劑。水合幾乎不取決於環境性質,隻要表面極性基團在與水接觸時能被強烈水合,這種表面水合持久性就可以轉化為出色的自清潔表面功能。迄今為止,隻有氧化的纖維素納米原纖維和兩性離子聚合物可以同時顯示出強而持久的表面水合作用,而與其相關的合成問題是這些親水性聚合物塗料的技術瓶頸。因此,迫切需要開發一種容易制備的親水性聚合物塗料。

吉林大學汪大洋教授《德國應化》:陰離子水合作用新發現!可用於制備自清潔塗層

近日,吉林大學汪大洋教授團隊在《德國應化》上介紹瞭一種通過用簡單的陰離子(例如SO42-離子)代替1,1-二甲基吡咯烷鎓(DMP)單元的抗衡離子(Cl-離子),將粘附油的聚二烯丙基二甲基氯化銨(PDADMAC)塗層轉化為自清潔表面的方法。作者發現油在PDADMA-X表面上在水作用下的宏觀去濕性能是由X陰離子的微觀特性(粘度B系數(Bη))決定的。證明瞭當其表面X陰離子的Bη為正時,PDADMA-X塗層表現出出色的自清潔表面功能。由於Bη的溫度依賴性,當水溫升至表面Cl-離子的負Bη符號轉換為正時,親油的PDADMA-Cl塗層可在水作用下自清潔。

吉林大學汪大洋教授《德國應化》:陰離子水合作用新發現!可用於制備自清潔塗層
圖1. PDADMA-X表面的正Bη陰離子與負Bη陰離子的可逆置換原理圖,從而在水的作用下將粘油表面轉化為自清潔表面。

PDADMAC和聚(苯乙烯磺酸鈉)(PSS)交替沉積在矽片上成(PDADMAC / PSS)4.5層膜(PDADMA-Cl在表面);所得膜的表面粗糙度低於3 nm,已知它們過量的Cl-離子專門作為表面抗衡離子位於最外層PDADMA-Cl上。將所得薄膜在不同電解質(如Na2SO4)的水溶液中培養,進行表面抗衡陰離子交換,以產生PDADMA-X表面,並通過流動電流技術對其進行監測。在PDADMA-Cl表面的流動電流達到平衡後,將流動的電解質溶液從NaCl切換為Na2SO4會引起流動電流的明顯跳動,迅速下降至穩定值,這表明Cl-離子被表面上的SO42-離子置換。

吉林大學汪大洋教授《德國應化》:陰離子水合作用新發現!可用於制備自清潔塗層
圖2. a) 流動的電解液從濃度為100 mM的NaCl切換為Na2SO4(○)後立即記錄的PDADMA-Cl表面流動電流的時間演變。b) 制備的PDADMA-X表面的Zeta電位值匯總。

由於其離子性質,所有PDADMA-X表面均具有親水性,但是在空氣和油中這些聚陽離子表面上實驗測得的水的前進接觸角顯示出與表面X陰離子特性的隨機聯系,包括半徑,電荷,極化率,溶致數,Bη和典型Hofmeister系列中的位置。作者計算水在油中的前進接觸角實驗值與計算值的偏差,以辨別表面重建對PDADMA-X表面水潤濕的影響。作者將PDADMA-X表面分成兩類,以5°為基準。一類大於5°,顯示出對水中油的顯著親和力。另一類小於5°,將油污表面浸入水中後可以迅速而完全地將油分離出來,具有很強的自潔性。

吉林大學汪大洋教授《德國應化》:陰離子水合作用新發現!可用於制備自清潔塗層
圖2. a)PDADMA-X表面的水在油中的前進接觸角偏差和流體相改變時的質量變化值與表面X陰離子Bη值的關系圖。b,c)將沾滿油的PDADMA-Cl(b)和PDADMA-SO4表面(c)浸入水中之後立即拍攝的一系列照片。

PDADMA-SO4表面表現出相當強的抵抗油污/水沖洗的能力,並且可以在衰減後在Na2SO4中重新培養而恢復。得益於這種堅固性和易於回收的特性,可以很容易地使用自清潔PDADMA-SO4塗層,將常規的鋼或聚合物篩網轉換為有效的分離膜,從而能夠從水中過濾或脫油,而無需事先用水潤濕,這將對實際使用產生技術上的好處。在此,在PDADMA-Cl表面上進行區域選擇性表面抗衡離子交換,以使表面帶有SO42-離子。當圖案化的表面完全被空氣中的油污染,然後浸入水中時,與PDADMA-Cl相比,油污膜在PDADMA-SO4域上會經歷更快,更明顯的收縮,最終導致油在膜上的選擇性積聚。

吉林大學汪大洋教授《德國應化》:陰離子水合作用新發現!可用於制備自清潔塗層
圖4. a)將兩個塑料管浸入油紅色O染色的低芥酸菜籽油(上層)和水(下層)的兩相混合物中時拍攝的一系列照片。b)將沾滿油的PDADMA-X表面浸入水中後拍攝的一系列照片。

水溫升高到35°C以上時,Cl-離子的Bη會從負變正。受此啟發,油污的PDADMA-Cl表面被浸入溫水中。當水溫升高到35°C以上時,浸入水中的油完全脫離瞭PDADMA-Cl表面,並且隨著水溫的進一步升高,去油時間從35°C的70s降至40°C的6s,然後在高於45°C的溫度下2s脫離,這與在PDADMA-SO4表面上觀察到的相當。由於這種溫度感應的自清潔表面功能,幹燥的PDADMA-Cl塗層鋼網可以從35°C或更高溫度的溫水中脫脂。這些數據極大地支持瞭PDADMA-X表面的自清潔功能與表面X陰離子的正Bη符號的關聯。

吉林大學汪大洋教授《德國應化》:陰離子水合作用新發現!可用於制備自清潔塗層
圖5. a)將沾滿油的PDADMA-Cl表面浸入35、40、45和50°C的水中後拍攝的一系列照片。b)在水中的PDADMA-Cl表面完全除油所需的時間(◼)和表面Cl-陰離子的Bη值(●)與水相溫度的關系圖。c)使用帶有PDADMA-Cl塗層,孔徑為25μm鋼絲網的塑料管從35、40和45°C的水中脫除菜籽油時拍攝的一系列照片。

在各種基材上進行表面離子交換和聚電解質自組裝的操作簡便性,以及大量帶有正Bη的簡單陰離子(例如SO42-離子),使得PDADMA-X表面在許多技術應用中成為一種非常簡單的自清潔塗層策略,例如批量生產油水分離膜,這可能引起人們極大的興趣。

全文鏈接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202002819

相关新闻