电子科技大学刘孝波团队AFM：溶剂调节氢键交联以制备用于油水分离的稳定水凝胶

研究背景

由工业废水、原油泄露等带来的油/水混合物对环保、人类健康和生物生存带来极大威胁，因此需要新的材料或技术来有效分离这些油/水混合物。近年来，具有高分离效率和低能耗的超润湿功能性膜材料被认为是有效的水处理技术。水凝胶改性多孔基质具有超润湿表面(即超亲水/水下超疏油)，是用于油水分离的理想材料。但溶胀和复杂合成过程导致的机械强度和分离效率下降，限制了其工业应用。

为了解决上述问题，电子科技大学刘孝波团队开发了一种利用乙醇动态调控聚乙烯醇(PVA) 和单宁酸(TA)间氢键交联来制备水凝胶涂料的新方法，该涂料可通过简单的一步法 (浸渍、涂刷、喷涂等)直接应用于多孔基质表面，而无需额外交联。所制备的水凝胶涂层表现出超高拉伸强度(>10 MPa)、溶胀体积稳定性以及良好的油水分离性能 (>99%)。相关研究成果已发表在Adv. Funct. Mater. 期刊，题目为“A Solvent Regulated Hydrogen Bond Crosslinking Strategy to Prepare Robust Hydrogel Paint for Oil/Water Separation”。

工作介绍
电子科技大学刘孝波团队开发了简单有效的方法，利用乙醇动态调控水中聚乙烯醇与单宁酸间的氢键，从而在金属网表面形成均匀的水凝胶涂层。聚乙烯醇/单宁酸溶剂体系中乙醇的加入破坏了聚乙烯醇与单宁酸间的强氢键作用，所得混合物溶液具有均匀的流动性，利于在金属网基质上进行涂覆。乙醇蒸发后，氢键又重新形成。所制备的掺杂二氧化硅纳米颗粒的聚乙烯醇-单宁酸凝胶层（PVA-TA@SiO2）具有超高拉伸强度（>10MPa），可保证长期运行过程中涂层的稳定性。而且，该凝胶层在实际应用中表现出低膨胀性、与金属网间良好的粘合性以及稳定的超润湿性等特性。基于PVA-TA@SiO2凝胶层的水截留性能和稳定性，所制备的涂层金属网（M/PVA-TA@SiO2）可以从油/水混合物中快速分离出水（通量超过6 x 104 L m-2h-1），具有超高分离效率（>99%）、耐油污能力，且易于循环。该研究工作拓宽了水凝胶涂层在水下石油运输、溢油事故处理、生活污水净化等领域的应用前景，提供了涂层界面润湿修饰的新思路，推进了水凝胶涂层从实验模型到实际应用的进程。
图文详情
图1. a) PVA和TA溶解于水中、醇水溶液中的实物图。b) 在金属网表面得到水凝胶涂层不同方法的示意图。
示意图1. 乙醇蒸发时PVA与TA之间氢键的重构过程。
图2. a,b) PVA、TA、PVA-TA及PVA-TA@SiO2的ATR-FTIR谱图和XRD图。c,d) PVA、PVA-TA及PVA-TA@SiO2水凝胶的TGA和DTG曲线。
图3. PVA-TA及PVA-TA@SiO2水凝胶的溶胀和机械性质: 水凝胶在极端环境(a)和PH=2-12(b)的平衡溶胀速率。PVA-TA@SiO2水凝胶的拉伸测试图(c)和极端环境下应力-应变曲线(d)。水凝胶在极端环境(e)和PH=2-12(f)下的拉伸强度。(g)水凝胶在极端条件下溶胀的实物图。
示意图2. 浸涂法制备PVA-TA@SiO2水凝胶涂层金属网，及其油/水分离机理。
图4. 水凝胶涂层金属网M/PVA-TA@SiO2的SEM和EDX图。
图5. a) 原始金属网、M/PVA-TA@SiO2、M/PVA-TA@SiO2的水接触角和水下油接触角。b) M/PVA-TA@SiO2对不同油的水下油接触角。c)在PH=2-12水中，M/PVA-TA的油接触角。d)在PH=2-12水中，M/PVA-TA@SiO2的油接触角。
图6. a)在原始金属网表面和PVA-TA@SiO2涂层金属网表面油滴的粘附。b) 原始金属网和PVA-TA@SiO2涂层金属网的水下自清洁能力。
图7. a) 典型油/水分离实验过程。b)M/PVA-TA@SiO2对于不同油/水混合物的分离效率和通量。c)30次循环测试，M/PVA-TA@SiO2对于正己烷/水混合物的分离效率和通量。d)在循环分离实验中M/PVA-TA@SiO2的水下油接触角。e)不同环境下M/PVA-TA@SiO2的分离效率和通量。
原文链接
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
研究团队介绍
通讯作者：刘孝波
电子科技大学材料与能源学院教授、博导。中国科学院首批“百人计划”、四川省有突出贡献优秀专家、国务院政府特殊津贴获得者；国家科技奖评审专家；承担（完成）国家及省部级等各类科研项目30余项，先后实现聚芳醚腈、腈基树脂及复合材料等科研成果产业化。在国内外首次创立芳腈基聚合物研究方向及研究平台。主要研究方向有：大分子科学与工程、刚性棒状聚合物及其复合材料的界面特性与流变行为、高分子纳米杂化材料的形态与功能特性、先进功能高分子材料的分子设计与合成。
END
本文作者：材料委天津院

本文责编：董香灵

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