苏州大学李战雄&新加坡国立Tan Swee Ching《Chem. Eng. J.》：基于重氮自由基聚合策略简单制备多级糙化结构可调的多功能超疏水织物

导读

超疏水表面由于其在处理界面问题上的独特优势，而引起了学术界和工业界的广泛关注和研究兴趣，例如：防粘、自清洁、抗菌、抗结冰、防腐蚀、微反应器等。古有诗词“出淤泥而不染，濯清涟而不妖”，这其中描述的就是“荷叶效应”。荷叶表面因其具有特殊微/纳米多级乳突结构和低表面能蜡质的协同作用而表现出优异的低粘附力超疏水性能。超疏水性能是由低表面能化学物质的疏水性协同多级糙化结构的结果，因此以这两个因素为出发点是制备超疏水表面的关键。基于纺织品的超疏水表面尤其受到关注，而赋予纺织品多功能化也越来越重要，以满足其在各种工作环境下的多重应用需求。此外，较差的机械稳定性也一直阻碍了其在现实生活中的应用进展。同时，通常制备超疏水表面具有诸多不足之处，如：设备要求苛刻、操作复杂、成本高等，特别是对于纺织品而言。因此，通过简单易操作、成本低廉、环保的工艺制备具有粗糙形貌结构可控、优异牢度的多功能超疏水织物，依旧是一个很大的挑战。

多功能超疏水织物图文摘要示意图

成果掠影

苏州大学李战雄教授课题组和新加坡国立大学Tan Swee Ching教授课题组基于重氮自由基聚合的方法，以含不同官能团的芳香聚合单体对棉织物进行接枝改性，巧妙的通过VC二次还原在纤维表面成功构筑了具有不同形貌的多级糙化结构，利用其金属的独特性能进而实现了具有不同优异特性的多功能超疏水纺织品的成功制备，例如：展现出优良的自清洁、自愈、抗紫外线、抗结冰和抗菌等功能。该成果发表在Chemical Engineering Journal上：

核心创新点

通过重氮化学法在室温条件下，利用不同官能团的芳香聚合单体之间的结构性能差异，实现了对Cu_xO晶体在纤维表面原位生长的调控，得到不同形貌的多级糙化结构。

利用金属氧化物、有机聚合物与纤维之间的强共价键、π-π 堆积和疏水相互作用，得到了具有优异机械稳定性的多功能纺织品。

数据概览

图1. 不同芳香重氮自由基单体调控金属有机复合材料纤维表面原位构筑多级糙化结构纺织品的反应机理图及电镜图。

图2. (a) CF的ATR-FTIR，(e) XPS和(i)XRD光谱图，NO₂Ph-Cu_xO@CF, CF₃Ph-Cu_xO@CF和DCF₃Ph-Cu_xO@CF。NO₂Ph-Cu_xO@CF (b-d)、CF₃Ph-Cu_xO@CF (f-h)和DCF₃Ph-Cu_xO@CF (j-l)的XPS高分辨率C 1s、N 1s和Cu 2p光谱图。

图3. 不同芳香单体调控制备样品的润湿性能对比。

图4. (a) CF₃Ph-Cu_xO@CF表面O₂等离子体溅射和高温自修复机理示意图。(b)在O₂等离子体溅射和自修复过程中制备的织物表面在超疏水(左)和超亲水(右)状态之间的可逆转变。(c) 15次循环O₂等离子体和热处理后织物WCA的变化。CF₃Ph-Cu_xO@CF织物的洗涤(d)和磨擦(e)耐久性能。

图5. (a) CF₃Ph-Cu_xO@CF的抗紫外线和防结冰性能示意图。(b) CF和CF₃Ph-Cu_xO@CF的UV透过率曲线和(c) UPF、UVB和UVA值。(d)红外相机记录下的水滴表面温度随冷却时间的曲线图。(e-g)水滴冻结前、冻结中、冻结后的红外图像及其对应的温度和时间。

图6. (a)孵育18小时后，不同稀释倍数下琼脂平板上形成的大肠杆菌菌落照片。(b) CF₃Ph-Cu_xO@CF抗菌性能示意图。(c) CF₃Ph-Cu_xO@CF对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌抗菌性能的耐皂洗牢度。

成果启示

重氮自由基聚合法可在室温条件下协同Cu_xO糙化改性棉织物，制备得到了具有粗糙结构形貌可控且耐30次皂洗和1500次机械摩擦牢度的多功超疏水织物，同时展现出优异的自愈性、自清洁、油水分离、抗紫外线、防结冰、抗菌等性能。该方法操作简单、反应条件温和、成本低廉，为制备多功能、高附加值纺织品，拓展纺织品实际应用前景提出了一种实际可行的方案，并为替代长碳链全氟烷基聚合物接枝改性纤维原位“糙化”精确调控构筑纤维表面涂层结构，最大限度发挥其拒液性能指明了方向。

成果链接

Wulong Li, Kexin Liu, Yaoxin Zhang, Shuai Guo, Zhanxiong Li*, Swee Ching Tan* A facile strategy to prepare robust self-healable superhydrophobic fabrics with self-cleaning, anti-icing, UV resistance, and antibacterial properties. Chemical Engineering Journal, 446 (2022) 137195.

https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.137195