蘇州大學李戰雄&新加坡國立Tan?Swee Ching《Chem. Eng. J.》：基于重氮自由基聚合策略簡單制備多級糙化結構可調的多功能超疏水織物

導讀

超疏水表面由于其在處理界面問題上的獨特優勢，而引起了學術界和工業界的廣泛關注和研究興趣，例如：防粘、自清潔、抗菌、抗結冰、防腐蝕、微反應器等。古有詩詞“出淤泥而不染，濯清漣而不妖”，這其中描述的就是“荷葉效應”。荷葉表面因其具有特殊微/納米多級乳突結構和低表面能蠟質的協同作用而表現出優異的低粘附力超疏水性能。超疏水性能是由低表面能化學物質的疏水性協同多級糙化結構的結果，因此以這兩個因素為出發點是制備超疏水表面的關鍵。基于紡織品的超疏水表面尤其受到關注，而賦予紡織品多功能化也越來越重要，以滿足其在各種工作環境下的多重應用需求。此外，較差的機械穩定性也一直阻礙了其在現實生活中的應用進展。同時，通常制備超疏水表面具有諸多不足之處，如：設備要求苛刻、操作復雜、成本高等，特別是對于紡織品而言。因此，通過簡單易操作、成本低廉、環保的工藝制備具有粗糙形貌結構可控、優異牢度的多功能超疏水織物，依舊是一個很大的挑戰。

多功能超疏水織物圖文摘要示意圖

成果掠影

蘇州大學李戰雄教授課題組和新加坡國立大學Tan Swee Ching教授課題組基于重氮自由基聚合的方法，以含不同官能團的芳香聚合單體對棉織物進行接枝改性，巧妙的通過VC二次還原在纖維表面成功構筑了具有不同形貌的多級糙化結構，利用其金屬的獨特性能進而實現了具有不同優異特性的多功能超疏水紡織品的成功制備，例如：展現出優良的自清潔、自愈、抗紫外線、抗結冰和抗菌等功能。該成果發表在Chemical Engineering Journal上：

核心創新點

通過重氮化學法在室溫條件下，利用不同官能團的芳香聚合單體之間的結構性能差異，實現了對Cu_xO晶體在纖維表面原位生長的調控，得到不同形貌的多級糙化結構。

利用金屬氧化物、有機聚合物與纖維之間的強共價鍵、π-π 堆積和疏水相互作用，得到了具有優異機械穩定性的多功能紡織品。

數據概覽

圖1. 不同芳香重氮自由基單體調控金屬有機復合材料纖維表面原位構筑多級糙化結構紡織品的反應機理圖及電鏡圖。

圖2. (a) CF的ATR-FTIR，(e) XPS和(i)XRD光譜圖，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光譜圖。

圖3. 不同芳香單體調控制備樣品的潤濕性能對比。

圖4. (a) CF₃Ph-Cu_xO@CF表面O₂等離子體濺射和高溫自修復機理示意圖。(b)在O₂等離子體濺射和自修復過程中制備的織物表面在超疏水(左)和超親水(右)狀態之間的可逆轉變。(c) 15次循環O₂等離子體和熱處理后織物WCA的變化。CF₃Ph-Cu_xO@CF織物的洗滌(d)和磨擦(e)耐久性能。

圖5.?(a) CF₃Ph-Cu_xO@CF的抗紫外線和防結冰性能示意圖。(b) CF和CF₃Ph-Cu_xO@CF的UV透過率曲線和(c) UPF、UVB和UVA值。(d)紅外相機記錄下的水滴表面溫度隨冷卻時間的曲線圖。(e-g)水滴凍結前、凍結中、凍結后的紅外圖像及其對應的溫度和時間。

圖6.?(a)孵育18小時后，不同稀釋倍數下瓊脂平板上形成的大腸桿菌菌落照片。(b) CF₃Ph-Cu_xO@CF抗菌性能示意圖。(c) CF₃Ph-Cu_xO@CF對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌抗菌性能的耐皂洗牢度。

成果啟示

重氮自由基聚合法可在室溫條件下協同Cu_xO糙化改性棉織物，制備得到了具有粗糙結構形貌可控且耐30次皂洗和1500次機械摩擦牢度的多功超疏水織物，同時展現出優異的自愈性、自清潔、油水分離、抗紫外線、防結冰、抗菌等性能。該方法操作簡單、反應條件溫和、成本低廉，為制備多功能、高附加值紡織品，拓展紡織品實際應用前景提出了一種實際可行的方案，并為替代長碳鏈全氟烷基聚合物接枝改性纖維原位“糙化”精確調控構筑纖維表面涂層結構，最大限度發揮其拒液性能指明了方向。

成果鏈接

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