超疏水材料具有自清潔、非濕潤等特性,在油水分離、防污染、防霧、抗冰等領(lǐng)域用途廣泛。目前,構(gòu)筑超疏水材料主要有兩種方式:(1)設(shè)計表面微納結(jié)構(gòu);(2)引入低表面能物質(zhì)。降低表面能一般需要接枝具有低表面能的基團(tuán),需要引入含氟等有害物質(zhì);而傳統(tǒng)方法設(shè)計的表面微-納結(jié)構(gòu)易脫落,且無法實現(xiàn)材料內(nèi)部疏水特性。
圖1. 超疏水聚乳酸立構(gòu)晶復(fù)合膜制備過程示意圖。
貴州大學(xué)謝蘭教授團(tuán)隊一直從事高性能生物基高分子材料的多層次結(jié)構(gòu)調(diào)控及功能化研究,致力于滿足不同領(lǐng)域內(nèi)對聚合物結(jié)構(gòu)及性能日益增長的需求。針對上述難題,該團(tuán)隊早期通過調(diào)控聚乳酸(PLA)多層次微觀結(jié)構(gòu)(纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、微球結(jié)構(gòu)和多層次微納孔結(jié)構(gòu)),制備了PLA多孔膜用于油水分離(Applied Surface Science, 2018, 462, 633-640)。近期,通過調(diào)控PLA結(jié)晶動力學(xué)和相分離過程,通過構(gòu)筑多層次的納納凸起結(jié)構(gòu),進(jìn)一步制備了具有良好油水分離性能的PLA疏水膜(Applied Surface Science, 2020, 517: 146135)。
圖2. a1-d1表面微觀結(jié)構(gòu),a2-d2斷面微觀結(jié)構(gòu),a3-d3表面的原子力圖片,a1和a2是純PLLA膜,b1-b2,c1-c2,d1-d2分別是右旋聚乳酸(PDLA)含量10%,30%,50%的膜。
在前期的研究工作基礎(chǔ)上,該團(tuán)隊繼續(xù)設(shè)計了氫鍵作用下引發(fā)的聚乳酸立構(gòu)復(fù)合晶(SCs),用于制備具有韌性且超疏水的PLA多孔材料,其制備過程見圖1。有趣的是,通過進(jìn)一步低溫調(diào)控PLA立構(gòu)復(fù)合膜的結(jié)晶動力學(xué)和相分離過程,成功地在PLA多孔材料表面(圖2b1-d1)和內(nèi)部骨架結(jié)構(gòu)上(圖2b2-d3)構(gòu)筑了的微納凸起結(jié)構(gòu)。值得注意的是,當(dāng)右旋聚乳酸PDLA含量為50%時,不僅成功的制備了SCs膜,還獲得了SCs雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(圖2d2)。最終,通過有效調(diào)控材料表面與內(nèi)部的微納結(jié)構(gòu),PLA立構(gòu)復(fù)合膜展現(xiàn)了超疏水性能(圖3 A),其接觸角達(dá)到155°。而且表面經(jīng)超聲波處理1小時(圖3B),其接觸角仍保持在超疏水水平(151°);甚至經(jīng)砂紙強(qiáng)烈的摩擦后(圖3C),其疏水性仍然保持優(yōu)異,接觸角保留在146°。由于氫鍵作用下SCs的形成有效地延長了水滴在膜表面的結(jié)冰時間(圖3D,E和F),而且表現(xiàn)為良好的熱絕緣性(圖3I),能夠用于抗結(jié)冰、熱絕緣等領(lǐng)域,研究工作以Super-hydrophobic Poly (lactic acid) by Controlling the Hierarchical Structure and Polymorphic Transformation 為題發(fā)表在 Chemical Engineering Journal上(DOI:10.1016/j.cej.2020.125297)。
圖3.A. 樣品的原始接觸角,B.經(jīng)2小時后的接觸角,C.砂紙摩擦后樣品的接觸角,D.樣品的延遲結(jié)冰時間,E, F樣品在0℃、-15℃時的結(jié)冰情況,G, H是膜的TG及DTG曲線,I是多孔材料的熱導(dǎo)率。
以上論文的第一作者為貴州大學(xué)材料與冶金學(xué)院博士生孫鑫,通訊作者為謝蘭教授。研究工作得到貴州大學(xué)薛白博士、國家復(fù)合改性聚合物材料工程中心秦舒浩研究員和浙江大學(xué)鄭強(qiáng)教授的支持和幫助。該研究工作得到國家自然科學(xué)基金(編號:51763003 和 21604016),貴州省優(yōu)秀青年科技人才項目(20195665),貴州省拔尖人才項目(編號:20170439178),貴州省研究生創(chuàng)新項目(編號:YJSCXJH(2019) 001)的支持。
論文鏈接
https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2018.08.119
https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2020.146135
https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.125297
作者簡介
孫鑫,男,山東淄博人,在讀博士研究生,2016年加入謝蘭教授課題組攻讀碩士學(xué)位,于2018年提前攻讀博士學(xué)位。主要從事聚乳酸表面微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控及浸潤性研究。2017年獲第十一屆節(jié)能減排大賽校賽“一等獎”, 2018年獲得貴州大學(xué)研究生新生獎學(xué)金,2019年獲得貴州大學(xué)研究生“一等獎學(xué)金”,同年獲得“第二屆鄭強(qiáng)獎學(xué)金”,主持貴州省研究生創(chuàng)新基金2項,主持貴州大學(xué)創(chuàng)新基金1項。第一作者在Applied Surface Science, Chemical Engineering Journal等國際期刊發(fā)表SCI論文3篇。參加學(xué)術(shù)會議4次并作口頭報告2次。
- 華南農(nóng)大胡洋副教授/楊卓鴻教授、南亞所楊子明研究員 IJBM: 開發(fā)新型綠色包裝材料構(gòu)建食品包裝用超疏水涂層紙 2025-06-25
- Orlando J. Rojas教授/盧翊研究員 AFM:木質(zhì)素原位重組超疏水木材 2025-04-22
- 浙大王征科課題組《Appl. Mater. Today》綜述:聚合物基潤滑減阻材料的設(shè)計和應(yīng)用 2025-02-07
- 湘潭大學(xué)徐圣教授課題組 CEJ:碳微球改性MXene - 一種同時增強(qiáng)聚乳酸材料的阻燃、抑煙和導(dǎo)熱性能的高效雜化阻燃劑 2025-07-15
- 北化楊衛(wèi)民/李好義團(tuán)隊《Compos. Part A》:電紡紗線綠色高效短流程制備技術(shù)取得新進(jìn)展 2025-05-15
- 青科大烏皓/段詠欣/張建明Macromolecules:聚甲基丙烯酸甲酯接枝纖維素納米晶在聚乳酸對映體共混物中選擇性成核機(jī)制研究 2025-03-05
- 華南理工大學(xué)瞿金平院士/張桂珍教授團(tuán)隊 Matter:微三明治結(jié)構(gòu)多孔膜用于持久高效被動輻射冷卻 2024-09-26