贾坤/刘孝波AFM：溶剂调节氢键交联策略制备可用于油水分离的水凝胶漆

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水凝胶改性的具有超润湿表面的多孔基底是一种理想的油水分离材料。然而，水凝胶涂层的制造过程通常涉及溶液-凝胶的转化，传统水凝胶合成过程中聚合、交联一体化的过程难以控制，并且可能伴随着高能耗及环境污染等风险。此外，考虑到油水分离材料在水环境应用的特殊性，水凝胶固有的溶胀特性会导致凝胶结构的破坏和多孔材料的堵塞。因此，发展具有特殊超浸润性及高强度水凝胶涂层的简便制备方法具有重要意义。
        近日，电子科技大学刘孝波教授课题组通过乙醇动态调节聚乙烯醇(PVA)与单酸(TA)之间氢键交联的策略，制备了一种“水凝胶漆”，可通过常见的油漆使用方法(浸涂、刷涂、喷涂等)作用于多孔基底表面，无需额外交联步骤。PVA与TA之间的高密度氢键交联确保了水凝胶涂层超高强度(>10Mpa)以及在广泛环境下良好的抗溶胀性能。此外，通过向水凝胶漆中添加SiO2构筑的仿生结构涂层展现出的超浸润性能在油水分离工业应用中展现出巨大潜力。相关成果以"A Solvent Regulated Hydrogen Bond Crosslinking Strategy to Prepare Robust Hydrogel Paint for Oil/Water Separation"为题发表于材料领域国际知名期刊Advanced Functional Materials上。

图1.浸涂法制备PVA-TA@SiO2水凝胶漆修饰多孔基底及其油水分离原理

       如图1所示，溶剂中乙醇的存在阻碍了PVA与TA的强氢键交联，避免了PVA与高含量TA共溶过程中产生的凝胶状沉淀，可通过浸涂、喷涂、刷涂或剪切涂敷等方法大规模应用于多孔基底。结合乙醇易挥发的特性，当涂料中乙醇逐渐蒸发后，PVA与TA的强氢键交联重新建立，实现了水凝胶漆从溶液到凝胶的转变。得益于PVA与TA之间的高交联密度，水凝胶在广泛应用环境下具有超高的抗张强度及溶胀稳定性，保证了涂层在现实应用中的实用性。

图2.凝胶在不同环境下的溶胀性能和力学性能

图3. PVA-TA@SiO2水凝胶漆修饰的多孔基底浸润性表征

        在水环境下，多孔基底表面的三维网络水凝胶涂层吸水达到平衡状态。涂层中引入SiO2构建的仿生纳米结构使水凝胶表面捕获更多的水，实现超疏油性。如图3所示，水凝胶涂层在广泛的酸碱环境下对各类油滴展现出优异的超疏油性，具有良好的油水分离性能。
        综上所述，作者通过一种简单的溶剂调控方法，实现了水凝胶漆应用过程中溶液-凝胶可控转变，得到的水凝胶涂层展现出超高的力学强度及优异的油水分离性能，有望为工业场景的油水分离水凝胶涂层的设计制备提供新的思路。该论文工作由电子科技大学先进功能高分子材料团队独立完成，论文第一作者是博士生白忠祥，通讯作者是贾坤副教授和刘孝波教授，上述工作得到国家自然科学基金面上项目（51773028, 52073039）的资助。
         电子科技大学先进功能高分子材料团队在俄罗斯自然科学院外籍院士刘孝波教授带领下，先后完成了国产化特种高分子聚芳醚腈及耐高温腈基聚合物的工业化生产。近年来该团队围绕环境治理需求，通过分子设计合成、聚集态结构调控与成型技术优化，开发了系列可用于污染物分离（Journal of Membrane Science，2021, 620, 118828）、吸附（Journal of Hazardous Materials, 2021, 405, 124263; Composites Part B: Engineering, 2019, 177, 107414）与在线检测（Sensors and Actuators B: Chemical, 2021, 334, 129611; Chemical Engineering Journal, 2020, 395, 125123）的水凝胶、多孔膜、纳米微球等特种功能高分子材料，进一步拓展了聚芳醚特种高分子功能化研究体系。
        原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202104701


        文章来源：电子科技大学
        刘孝波，博士，电子科技大学材料与能源学院教授，博士生导师 ，中国科学院“百人计划”入选者，四川省杰出青年基金获得者，四川省有突出贡献的优秀专家，享受政府特殊津贴。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。