近年來,在海上石油開采、運輸和使用過程中,石油泄漏事件頻繁發生。與此同時,城市排放了大量含有有毒有機化合物的含油污水,對生態環境和人類健康構成了嚴重威脅。具有大于150°高水接觸角(WCA)的超疏水材料可以在無需外力的情況下有效分離油水混合物,被認為是解決石油污染物環境問題最經濟有效的方法之一。
通常,實現超疏水性需要具備兩個必要因素:低表面能和微納粗糙結構。如今,含氟試劑常被用作疏水改性劑,能夠有效降低聚合物材料的表面能。然而,含氟試劑具有生物累積性,會對人體和生態環境造成危害。為解決這一問題,提出用長烷基鏈的化學物質來代替含氟試劑。然而,大多數超疏水涂層和表面缺乏自修復能力,當受到外力損壞時,無法恢復超疏水狀態。
為了構建微納粗糙結構,已經提出了許多方法,包括模板法、化學蝕刻法、自組裝法、相分離法、溶膠-凝膠法、冷凍干燥法、噴涂法和浸漬法。相比之下,通過堆疊二氧化硅、埃洛石納米管、銀納米顆粒、碳納米管、石墨烯等納米顆粒,噴涂法和浸漬法更容易構建微納米結構。近年來,金屬有機框架(MOF)因其結構穩定、活性位點高、比表面積大的特點而備受關注。MOF是一種由金屬離子(如 Cu2+、Zn2+、Zr4+等)和有機配體(咪唑基團和羧酸根基團等)組成的晶體材料。類似于自然界中的荷葉效應,MOF可以聚集形成三維微觀層次結構,顯著增加表面粗糙度。同時,有機配體中的活性基團可以被改性,以改變材料表面的潤濕性。然而,大多數MOF先被制備出來,然后被添加到有機相中,之后通過噴涂或浸漬法涂覆在基材上。為了獲得明顯的粗糙結構,需要使用大量的MOF,這導致涂層在基材上的附著力低且成本高。
近期,華南理工大學李紅強/曾幸榮團隊成功制備了一種在銅網上原位生長MOF的無氟自修復超疏水復合涂層,用于油水分離。
通過在蝕刻后的銅網上原位生長MOF,然后形成具有長烷基鏈的交聯聚亞胺層,在銅網上制得復合涂層。 該復合涂層具有優異的超疏水性,水接觸角高達162°,滾動角低至4°。經過熱處理、砂紙磨損、膠帶剝離以及浸入不同溶劑和酸/堿水溶液后,該復合涂層仍能保持超疏水狀態。即使被氧等離子體和刀具損壞,在70°C下加熱30分鐘后,涂層能夠自修復并恢復超疏水性。此外,涂層銅網不僅表現出優異的油水分離性能,分離效率高達99.24%,滲透通量為1.16×105L⋅m-2⋅h-1,而且對有機染料具有良好的光催化降解能力。因此,本研究有望成為一種制備環保且功能性超疏水油水分離材料的新策略,在油污事故和工業污水排放方面具有巨大的應用潛力。 示意圖 (a)PI@MOF-ECuM 的制備示意圖;(b)修復層與交聯網絡的反應式示意圖。
數據來源與出處 相關研究成果以“Fluorine-free and self-repairing superhydrophobic polyimine/MOF composite coating on copper mesh for oil-water separation and photocatalytic degradation”為標題發表在《Progress in Organic Coatings》上。
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