纤维素基超疏水材料的研究进展

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纳米纤维素研究及应用进展

纳米纤维素研究及应用进展

纳米纤维素研究及应用进展纳米纤维素是一种由植物细胞壁提取或微生物发酵得到的生物质材料,具有独特的纳米级尺寸和出色的物理、化学性能。

近年来,纳米纤维素因其出色的生物相容性、可降解性以及在能量储存、药物传递、环境治理等方面的应用潜力,受到了广泛。

本文将概述纳米纤维素的研究背景和意义,并详细介绍其制备方法、应用进展、研究现状与挑战以及未来应用前景。

纳米纤维素的制备方法主要包括物理法、化学法和生物法。

物理法主要包括高压静电纺丝、超临界流体纺丝等;化学法主要包括酸解、氧化还原等;生物法则利用微生物或植物细胞壁提取。

不同制备方法得到的纳米纤维素在形貌、尺寸和性能上略有差异。

纳米纤维素在许多领域中都有着广泛的应用。

在生物医学领域,纳米纤维素因其生物相容性和可降解性,可用于药物载体、组织工程和生物传感器等。

在能源领域,纳米纤维素可作为电极材料用于超级电容器和锂离子电池等。

纳米纤维素在环保、材料科学等领域也有着广泛的应用。

当前,纳米纤维素研究面临着许多挑战。

制备方法的优化和绿色生产是亟待解决的问题。

化学法制备过程中产生的废弃物可能会对环境造成污染,因此需要开发环保、高效的制备方法。

纳米纤维素的尺度、形貌和性能调控是研究的重要方向。

纳米纤维素的量产化、应用领域的拓展以及其在复合材料中的作用机制等方面也需要进一步探索。

随着科技的不断进步,纳米纤维素的应用前景十分广阔。

在生物医学领域,纳米纤维素作为药物载体和组织工程材料的应用将进一步拓展。

在能源领域,随着可再生能源需求的增加,纳米纤维素作为储能材料的应用前景将更加明朗。

纳米纤维素在环保、材料科学等领域也将发挥更重要的作用。

纳米纤维素作为一种重要的生物质材料,具有广泛的应用前景和巨大的发展潜力。

随着对纳米纤维素制备、性能和应用研究的深入,其在生物医学、能源、环保、材料科学等领域的应用将进一步拓展。

未来,纳米纤维素的研究将更加注重绿色生产、可持续性和规模化应用,为推动纳米科技和生物质材料的发展提供新的机遇和动力。

高性能纤维素基材料的制备及应用研究

高性能纤维素基材料的制备及应用研究

高性能纤维素基材料的制备及应用研究纤维素是植物细胞壁的基础成分,具有良好的可生物降解性与生物相容性,在生物医学、纸浆、食品、石油、化工等领域中有广泛的应用,但在工程材料领域中,由于其结晶性差、水分敏感性强、机械强度和耐热性较低等的特性,纤维素基材料往往难以满足高性能材料的要求。

不过,在近年来,高性能纤维素基材料制备及应用研究越来越受到科学家们的关注。

一、纤维素表面化学修饰纤维素表面化学修饰是制备高性能纤维素基材料的关键技术之一。

主要包括卡尔曼反应、羟基磷酸化反应等方法,这些方法能够使纤维素的亲水性、抗生物降解性、机械强度等方面得到有效的提高。

例如,一种有机硅化合物二氧化硅-乙烯基三甲基硅烷(SiO2-ETMS)可以通过静电纺丝的方法改性纤维素 /安徽大学)材料发现,经SiO2-ETMS改性的纤维素基材料表现出更优异的热性能和力学性能,这使得其具有更大的应用潜力。

二、纤维素基材料的复合改性纤维素基材料的复合改性则是另外一种有效制备高性能纤维素基材料的方法。

通过增加其他的材料来达到改善纤维素材料性能的目的,如降低它们的水分吸附性能和增强机械强度。

目前,复合物材料研究涉及到的材料类型十分广泛,包括但不限于纤维素纤维聚丙烯羧酸钠(NaPA)复合材料、纤维素纤维纤维素酸钠(NaCMC)复合材料、硅烷和聚乙烯醇共混物、环氧树脂等。

此类复合改性可以在一定程度上提高纤维素基材料的性能,并且赋予纤维素基材料新的功能。

三、纤维素基提取改性技术如果能够大量制备出有纤维结构的高性能纤维素基材料,那么这些材料便能够灵活地应用于行业价值链上的不同价值节点中。

而纤维素基材料的提取便成为了解决这一问题的关键。

目前,纤维素基材料提取技术主要包括酸法、酶法、氧化释放法、离子液体法、水法等。

随着此类技术的不断发展,纤维素基材料的可定制性得到了有效的提升,使得其具有了更广泛的应用前景。

例如,有研究人员对可靠的酸法提取纤维素进行了深入研究,成功制备出具有优异力学性能的纤维素基材料,其强度比起如今已广泛使用的高质量木材还要高50%以上。

超疏水表面制备的研究进展

超疏水表面制备的研究进展

面粗糙 度和 用低 表面 自由能物 质修饰表 明而成 。文 章简 单的介绍 了疏 水表面的基础理论 和最 新研究进 展。虽然超疏水
表面在 实际应 用中还有一定 的限制 ,但这些 困难都将慢慢被克服 ,最 后超疏 水表 面将 应用在各 种不同的工业领 域。 【 关键词】 水表 面;原理 ;接触 角;润湿性 超疏
触角 0 。0的大小通常可 以衡 量该 固体表面 的浸 润性 。当 < 9 。 ,称之 为亲水材料 ,当 9 。 ,称 之为疏水材 料。固 0时 0时
体 表 面 的 这 种 浸 润 性 是 固 体 表 面 的 重 要 性 质 之 一 ,它 是 由表
能 ,其接触角也不超过 10I 2o 。目前 ,制备超疏水固体表面粗
Ke ywor :s pe hy r p bi ura e; t o i ; c ntct ngl we tbiiy ds u r d O hO cs f c he res o a a e; ta l t
当一滴水放置在 固体水平表 面上 ,水滴会 自然铺展 或者 铺 展到一定 的角度而达到平衡 ,这个平衡 角度是 由固一 液、液
e tu isi t d n r c n e r . h s u f c s wh c r al d s p rh d o h b c a e fb ia e y c mb n n p r p it u f c n h sa tcs u y i e e t a s T e e s ra e , ih a e c l u e — y r p o i, r a r t d b o i ig a p o r e s ra e y e c a r u h e swi u f c s o w u f c n r y o g n s t s ra e fl s ra e e e g .He e t e f d m e t l h o i so h t b l y o y r p o i o g o i u f c , h o r h un a na e r n t e wet i t fa h d o h b c r u h s l s ra e t e a i d t g t e t e e two k n t e p o e sn n r p r e fs p rh d o h b c s ra e r r f e iwe . h u h t e p a t a o eh rwi r c n r s o h r c s i g a d p o et so u e _ y r p o i u f c swe eb i l r v e d T o g h r ci l h i e y c a p i ai n o e e s ra e tl l t d t eo sa l s o a p ia in a eg a u l e n u mo n e , r v d n r a p o t n t o p l t f h s u f c si si mi ,h b tc e p l t r r d al b i g s r u t d p o i i g ag e t p r i f r c o t s li e t c o y o u y t ed v l p n f a iu d sr l e d . h e e o me t v ro si u ti l s o n af i

可增强太阳能蒸发器效能的纤维素基材料研究进展

可增强太阳能蒸发器效能的纤维素基材料研究进展

《中国造纸》2021年第40卷第12期·纤维素基材料·可增强太阳能蒸发器效能的纤维素基材料研究进展胡娜1徐永建1,*任光荣2王建1(1.陕西科技大学轻工科学与工程学院,陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室,轻化工程国家级实验教学示范中心,中国轻工业纸基功能材料重点实验室,陕西西安,710021;2.东莞市金田纸业有限公司,广东东莞,523052)摘要:淡水资源紧缺是人类面临的最严峻的问题之一,利用太阳能蒸发器获取淡水被认为是缓解水资源紧缺的有效手段。

纤维素基材料具有良好的生物相容性、可再生性和可持续性,可发展其在太阳能蒸发器领域的应用。

本文主要介绍了近几年纤维素基气凝胶、纤维素纸和原生态植物作为太阳能蒸发器基材的研究进展,并对其应用前景进行了讨论。

关键词:太阳能蒸发器;纤维素;气凝胶;原生态植物中图分类号:TS71文献标识码:ADOI :10.11980/j.issn.0254-508X.2021.12.015Advanced Research Progress in Cellulose -based Materials Enhancing the Efficiency of Solar Steam GenerationHU Na 1XU Yongjian 1,*REN Guangrong 2WANG Jian 1(1.College of Bioresources Chemical and Materials Engineering ,Shaanxi Province Key Lab of Papermaking Technology and Specialty Paper Development ,National Demonstration Center for Experimental Light Chemistry Engineering Education ,Key Lab of Paper Based FunvtionalMaterials of China National Light Industry ,Shaanxi University of Science &Technology ,Xi ’an ,Shaanxi Province ,710021;2.Dongguan Jintian Paper Co.,Ltd.,Dongguan ,Guangdong Province ,523052)(*E -mail :xuyongjian@ )Abstract :Fresh water scarcity is one of the most threatening issues for sustainable development.Solar steam generation ,which harnesses the abundant sunlight ,has been recognized as a sustainable approach to harvest fresh water.Cellulose -based materials ,owing to their bio⁃compatibility ,renewability and sustainability ,are highly attractive for realizing solar steam generators.Research progress of cellulose -based aerogels ,paper and native plants as substrates for solar evaporators is reviewed ,and the development prospect is also discussed.Key words :solar steam generation ;cellulose ;aerogel ;native plants近年来,淡水资源紧缺已经成为人类面临的最严重的危机之一,海水淡化技术被认为是缓解淡水资源紧缺的有效手段[1-3]。

研究方向纤维素基水凝胶

研究方向纤维素基水凝胶

研究方向纤维素基水凝胶纤维素基水凝胶是一种在近年来备受研究者关注的新型材料。

它由纤维素作为主要原料制备而成,具有出色的生物相容性、可降解性以及优异的吸水性能。

纤维素基水凝胶在生物医学、食品包装、环境治理等领域具有广泛的应用前景。

本文将对纤维素基水凝胶的制备方法、性能以及应用进行综述,以期为相关领域的研究者提供有价值的指导。

首先,我们要明确纤维素基水凝胶的制备方法。

纤维素的源头可以是天然纤维素或再纤维化纤维素,如木质纤维素、纸浆等。

纤维素可经过化学或生物处理以获得水凝胶。

化学方法包括纤维素的酯化、氧化、酶解等。

生物方法则利用微生物、酶或发酵过程来提取和修饰纤维素。

这些方法中的选择将直接影响纤维素基水凝胶的性能和应用。

其次,我们关注纤维素基水凝胶的性能特点。

纤维素基水凝胶具有高度可调的吸水性能,可以实现高倍增效应,从而广泛应用于生物传感器、水净化等领域。

此外,纤维素基水凝胶还具备优异的可降解性,不会对环境造成污染,因此在食品包装材料、药物传递等方面具有广泛应用前景。

另外,纤维素基水凝胶还具有良好的生物相容性,能够与生物组织兼容,有助于生物医学领域的应用。

最后,我们要重点介绍纤维素基水凝胶的应用领域。

首先是生物医学领域,纤维素基水凝胶可以作为组织工程支架、药物传递系统等方面的理想材料。

其次是食品包装领域,纤维素基水凝胶可以应用于食品保鲜、延长货架寿命等方面,有助于环境友好型食品包装材料的开发。

另外,纤维素基水凝胶还具有在环境治理领域的广泛应用前景,可以用于水污染物吸附、土壤修复等方面。

总之,纤维素基水凝胶作为一种新型材料,在生物医学、食品包装、环境治理等领域具有广阔的应用前景。

通过对其制备方法、性能以及应用的全面综述,我们希望能为相关研究者提供指导,在推动纤维素基水凝胶的研究与应用方面发挥积极作用。

生物材料表面的超疏水性能研究进展

生物材料表面的超疏水性能研究进展
Ab s t r a c t I n c o mb i na t i o n wi t h o u r r e s e a r c h wo r k , i n t hi s pa p e r , we r e ne w t h e r e s e a r c h s t a t u s o f t he mi c r o n a n o — s t r u c t u r e a n d s u p e r h y d r o p ho b i c o f t y p i c a l n a t u r a l b i o ma t e r i a l s , s u c h a s t he p l a n t l e a v e s , i n s e c t in w g s a n d wa t e r s t r i d e r l e g s . S p e c i a l l y we r e ne w o u r r e s e a r c h wo r k o f t h e s u p e r h y d r o p h o b i c s u r f a c e s o f mo s q u i t o l e g s . F i n ll a y , f u t u r e d e v e l o p me n t s o f he t s u p e r — h y d r o p h o b i c o f b i o ma t e r i ls a a n d i t s a p p l i c a t i o n s a r e p r o s p e c t e d .
K e y wo r d s
b i o ma t e r i a l s ;s u p e r h y d r o p h o b i c s u r f a c e s ;m i c o r o n a n o s t r u c t u r e

超疏水SiO_2涂膜制备研究进展

超疏水SiO_2涂膜制备研究进展
点 ,并 不适 合大 规模 生产 。 1 . 1 . 1 溶 胶凝 胶法 溶胶 凝胶 法是 通过 前驱 体在 酸或 碱条件 下水
构 的乳 突上 还 存 在 纳 米 结 构 J ,揭 示 了荷 叶 效 应 原 因 ,这些发 现 为超疏 水 涂膜 的制 备与研 究 提 供 了发 展 方 向。 低 表 面 能 材 料 是 获得 超 疏 水 表 面 的 物 质 基 础 ,常用 的低 表 面 能 材 料 有 氟 碳 树 脂 、氟 硅 树 脂 、硅树 脂等 。硅 树脂 中最 主要 的是 具有 高度 交
技 术 进展
请 机 ・ l 材 料 , 2 0 1 3 , 2 7 ( 4 ) : 3 0 7 ~ 3 1 2
S I L I C ONE MA T ERI AL
超 疏水 S i O 2涂 膜 制备 研 究 进 展 米
钟 颖 ,裴 勇兵 ,吴连 斌 ,陈 道 ,来 国桥
( 杭 州师范大学有机硅化学及材料技术教育部重点实验 室 ,杭州 3 1 0 0 1 2 )
中图分 类号 :T Q 1 2 7 . 2 文献标 识码 :A 文章编号 :1 0 0 9— 4 3 6 9( 2 0 1 3 )0 4- 0 3 0 7— 0 6
表面润湿性是固体表面的重要性质之一 ,随
着 表面 科学 的不 断发 展 ,人们 对涂 层材 料 的性 能
主要 有两 种途 径 :一种 是在 疏水 材料 表面构 建微 米 或/ 和 纳米 粗糙 结 构 ;另 一 种 是 先得 到 粗 糙 表 面 结构 ,然 后在 粗 糙 表 面 上修 饰 低 表 面能 物 质 。
收稿 日期 :2 0 1 . 2— 0 9—2 4。 作者简介 :钟颖 ( 1 9 8 8 一) ,女 ,硕士生 ,主要从事硅树脂 材料的研究。 基金项 目:浙江省教育厅科研资助项 目 ( Y 2 0 1 2 2 5 2 6 0 ) 。 联 系人 ,E—m a i l :h b j l p y b @1 6 3 . c o n。 r

超疏水油水分离材料研究进展

超疏水油水分离材料研究进展

2015年11月 化 学 研 究561第26卷第6期 CHEMICAL RESEARCH http://hxya.cbpt.cnki.net超疏水油水分离材料研究进展刘山虎1,2*,许庆峰1,邢瑞敏1*,中田一弥2*(1.河南大学化学化工学院,河南开封475004; 2.东京理科大学光触媒国际研究中心,千叶县野田市2641)摘 要:近年来,石油泄漏和有机污染物排放对环境和生态系统造成了严重甚至不可挽回的损害,油水分离已成为一个全球性的挑战,如何处理油水混合物并将其有效分离已成为目前亟待解决的问题.许多仿生超疏水材料已被用于选择性油水分离研究,显示出诱人的应用前景.本文作者简要介绍了自然界超疏水现象以及固体表面浸润性理论,分析了材料的疏水亲油原理,重点介绍了近年来超疏水油水分离材料的研究应用进展,并对本领域的研究趋势进行了展望.关键词:超疏水;超亲油;油水分离;浸润性中图分类号:O647.3文献标志码:A文章编号:1008-1011(2015)06-0561-09Research progress of superhydrophobic materials foroil-water separationLIU Shanhu1,2*,XU Qingfeng1,XING Ruimin1*,NAKATA,Kazuya2*(1.College of Chemistry and Chemical Engineering,Henan University,Kaifeng,475004,Henan,China;2.Photocatalysis International Research Center,Research Institute for Science &Technology,Tokyo University of Science,Yamazaki 2641,Noda,Japan)Abstract:In recent years,oil spillages and indiscriminate discharge of organic pollutants havecaused serious and irrecoverable damages to environment and ecosystems;and oil/water sepa-ration has become a worldwide challenge.How to deal with the above mixtures effectively andrecover oils from water has become an urgent problem.Various superhydrophobic materialshave been fabricated for the selective oil/water separation,showing the great potential in thepractical applications.In this paper,superhydrophobic phenomena in nature,theories of thewettability of solid surface and the basic principles of superhydrophobic materials were intro-duced.The application of superhydrophobic materials in oil-water separation was reviewed indetails.Then the research trend of this field is prospected.Keywords:superhydrophobic;superoleophilic;oil-water separation;wettability收稿日期:2015-06-07.基金项目:国家自然科学基金(21101056,21105021),河南大学优秀青年人才培育基金.作者简介:刘山虎(1977-),男,东京理科大学客座准教授,研究方向为功能材料制备与环境应用.*通讯联系人,E-mail:li-ushanhu@163.com. 随着工业和海洋石油开采的迅速发展,海上溢油事故频发.海上泄油事故会导致大量原油覆盖一片海域,从而对环境造成深远的影响;同时,日常用油随意的排放也使内陆近海水面油污染日趋严重,给人类生存环境带来极大危害[1-5].如何有效地从水中收集和清除油类及有机污染物已经成为世界级的挑战,并引起广泛的关注.传统的除油方法包括围栏吸油法、受控燃烧法[6]、化学分散法[7]、固化法[4]、生物氧化法和浮选法[8]等.与传统方法相比,使用吸附材料进行油水分离被认为是一种简单可行的方法[9-10].迄今为止,沸石、活性炭、植物/碳素纤维等吸附材料[10-15]被用作油吸附材料,但是这些材料在吸油的同时还吸水,大大降低了油水分离效率,同时其还存在环境二次污染、循环利用率、价格高等DOI:10.14002/j.hxya.2015.06.002|化学研究,2015,26(6):561-569562 化 学 研 究2015年不利因素,从而制约了这些材料的实际应用[10-11,16].自从发现了自然界某些植物表面的特殊浸润性,研究人员对其表面的独特结构产生越来越大的兴趣[17-19].随着研究的深入和交叉,利用材料特殊浸润性对水和油的不同作用来实现油水分离引起了广泛的关注.碳纳米管、碳酸钙粉末、金属网、graph-eme三维多孔材料等材料都被应用于超疏水界面的构建和油水分离研究[20-24].本文作者主要从固体浸润性出发,简要介绍其基本理论,进而对在该理论指导下合成的超疏水超亲油复合材料进行了分类综述并予以展望.1 固体表面浸润性概述1.1 自然界的超疏水现象自然界中的生命经过长达40亿年的进化,演绎着“物竞天择,适者生存”的生命真谛,也繁衍出许多完美奇妙的功能,荷叶等表面的超疏水现象就是其中一例.荷叶表面的微纳米阶层结构和疏水的表皮蜡质的共同作用维持了水滴很高的静态接触角和较小的滚动角,从而实现超疏水和自清洁,又称为荷叶效应(lotus-effect)[25-29],如图1所示.图1 (a)水滴在荷叶上的照片,(b)荷叶表面SEM[30](c)水滴滚落时带走表面污染物[31]Fig.1 (a)Typical digital photographs of superhydrophobic lotus leaf and water droplet on the lotus leaf,(b)SEM image of the surface structures on the lotus leaf[30](c)With water droplet flowingthrough the surfaces,the contaminants are carried away[31] 与荷叶类似,印第安水芹、水稻[32]等叶面也是在宏观上看似光滑,而在微小尺度上具有一些特别的多阶层结构;此外,一些昆虫如蝉的翅膀[33]、水黾的腿部[34]等在表面也分布有特殊的微观结构,如图2所示.它们表面的微观结构形成新的气/固复合表面,可以导致其具有超疏水性从而实现水滴自由滚落[35].以上特殊的表面浸润性是动植物在自然界中长期选择和进化的结果,同时也为人类解决疑难问题提供了答案[36].图2 水稻叶[32](a)、蝉翅膀[33](b)和水黾腿部[34](c)的照片及其表面的SEMFig.2 Optical and SEM images for the surfaces of rice leaf[32](a),cicada[33](b)and water strider[34](c)1.2 固体浸润性的基本理论润湿(wetting)从宏观上讲是一种液体从固体表面取代另外一种流体的过程[37],例如洗衣服时水置换衣服表面的空气就是最常见的润湿现象之一.液体在固体表面的铺展能力称为润湿性(或浸润性wettability),铺展能力越强,说明这种液体对该固DOI:10.14002/j.hxya.2015.06.002|化学研究,2015,26(6):561-569第6期刘山虎等:超疏水油水分离材料研究进展563 体表面的润湿性越好.浸润性是固体材料重要的物理化学性质[38],影响固体表面浸润性的因素主要有两个:表面自由能和微观几何结构[39-41].由表面自由能考察,BAIN和WHITESIDES[42-43]提出表面最外层的原子或者原子基团的性质及排布情况决定了固体表面的润湿性,这为研究者能动地通过表面修饰改变固体表面的润湿性质提供了重要参考.此外,在不改变表面自由能的情况下,可以仅仅通过调整表面微结构参数就能得到超浸润性表面[44-45],这为研究者通过固体表面形貌的构筑而改变其润湿性质提供了另一重要规律.表面浸润性反映了液滴在固体表面的铺展程度,一般用接触角来表征,可通过Young’s方程来阐释理想光滑平整固体表面的受力平衡:γSV=γSL+γLVcosθ即cosθ=γSV-γSLγLV式中:γSV、γSL和γLV分别表示固-气界面、固-液界面和液-气界面的表面自由能;θ为平衡接触角.如图3模型所示,将液体滴在理想的光滑固体表面,液体不完全展开而是与固体表面形成θ角,就是接触角,表明各个界面表面张力达到平衡,液滴在固体表面上处于稳态(或亚稳态),使得体系总能量趋于最小.一般当接触角大于150°,滚动角小于10°时,可以称该固体表面为超疏水表面;当水滴/油滴与材料表面的接触角接近于0°时,则可称之为超亲水/超亲油表面[46].对于粗糙表面,WENZEL,CASSIE和BAXTE三位科学家对粗糙表面的表面张力与接触角的关系进行了进一步的修正,分别得到Wenzel方程和Cassie-Baxter方程[47-50].当表面结构疏水性较强时,液滴并不能完全浸润粗糙表面,而使空气存在于凹槽里,阻挡了液滴和固体表面之间的接触,此时其表观接触角值的大小就不仅仅与本征接触角相关,而且与液―固相和液―气相之间的接触角有关.图3 接触角示意图Fig.3 Scheme of contact angles2 超疏水油水分离材料的应用根据以上讨论,制备特殊浸润性材料的主要方法就是在物质表面有效构筑微纳米粗糙结构并在粗糙表面上进行修饰.超亲水表面一般具有较高的表面自由能,大于水的表面张力,如干净玻璃、金属等表面.由于水的表面张力大于油的表面张力,故一般空气中超亲水表面亦是超亲油表面.如果需要同时具备疏水和亲油的性质,材料的表面自由能要介于油(20~30mN/m)和水(72mN/m)之间,辅以表面微结构的调整可以实现超疏水/超亲油的性质.这类材料从物理形态可大致分为超疏水粉末材料、超疏水网膜材料和超疏水三维多孔材料.2.1 超疏水粉末材料利用粉末制备超疏水油水分离材料,其优点是粉末比表面积大,理论上可以吸附大量油,但正是由于其形貌的限制,吸附一定体积的油需要大量的粉末,循环利用较难.研究较多的是超疏水碳酸钙粉末[21]和磁性超疏水粉末[51-53].ARBATAN等[21]将硬脂酸在加热搅拌下修饰在碳酸钙粉末表面得到具有超疏水超亲油的碳酸钙粉末,可以将99%以上的原油和柴油从油水混合物中分离出来,具有很好的油水分离性能.磁性超疏水粉末材料可以利用外界磁场来将其收集并与水分离,轻松解决收集分离难的问题.PAN等[51]和BANERJEE课题组[52]分别报道了Fe2O3@C和Carbon-Fe3O4超疏水亲油纳米颗粒的制备,郭志光等[53]利用仿生贻贝的黏附蛋白作用机理制备出超疏水Fe3O4/聚多巴胺复合纳米颗粒,这三者都具有超疏水超亲油的性质和磁性响应.如图4所示,可以将这些具有磁性的超疏水粉末应用于油水分离,利用外界磁场控制粉末材料的移动与分离,解决了粉末材料在吸附油品后无法从水面分离的缺陷.但是在大范围油水分离应用中,粉末材料的后处理依旧是本方法的瓶颈.复合磁性功能或者负载在合适的载体上是粉末油水分离材料进一步研究的思路之一.2.2 超疏水网膜材料超疏水网膜材料的油水分离方式主要有过滤和吸附两种:超疏水网膜过滤是将油水混合物通过超疏水网膜材料,将压强控制在一定范围内,使油滴可以渗入网孔滴下,而水滴无法从网孔中透过,从而实现油水分离;超疏水网膜吸附是直接用超疏水网膜材料浸入油水混合液中,利用其超疏水超亲油性质将油污吸附.超疏水网膜过滤材料研究较多的是金属网材料.江雷课题组[22]通过一种简单经济的喷雾干燥方法首次制成油水分离滤网,将聚四氟乙烯、黏合剂、表面活性剂喷涂在不锈钢网上,经过高温处理后在DOI:10.14002/j.hxya.2015.06.002|化学研究,2015,26(6):561-569564 化 学 研 究2015年不锈钢网表面形成粗糙的PTFE层,其具有超疏水和超亲油的特性,可通过过滤将油水混合物分离.这种制备工艺简单的喷涂方法,可以通过进一步工艺或者配方改进,实现大规模制备,将不锈钢网载PTFE层组装成循环油水分离装置,实现工业化油水分离[54-56].自此以不锈钢网为基材,利用各种工艺方法(如化学气相沉积法[57]、溶液浸泡法[58-59]、静电沉积―静电自组装(electrostatic self-assem-bly)法[60]等)制备超疏水超亲油不锈钢滤网材料的研究报道越来越多.此外,研究较多的基底材料还有铜网,制备超疏水铜网的主要方法就是在铜网表面上运用不同的工艺构造粗糙结构,再用低表面能化合物修饰.WANG等[61]运用简单刻蚀法,将铜网用4mol/L的硝酸溶液刻蚀4min,然后浸泡在浓度为1mmol/L的十六烷基硫醇溶液中1h制成有很好的耐蚀性的超疏水超亲油铜网,可以实现高效油水分离.制成的铜网在不同pH的水溶液和NaCl水溶液中浸泡24h后水的接触角仍保持在150°以上,证明其具有较好的耐蚀性.GAO等[62]利用低温水热法在铜网基底上形成一层TiO2膜,再经过磷酸正十八酯(ODP)浸泡48h得超疏水的TiO2基铜网,将其与另一片未经过ODP修饰的铜网合拢在一起就得到超疏水-超亲水可逆转的双层滤网.如图5所示,油水混合后经过超疏水双层铜网,油顺利漏下而水被挡住,然后经紫外光照射ODP降解而是表面的浸润性由超疏水变为超亲水,与此同时水中可溶污染物也能够被降解掉.图4 磁性超疏水粉末油水分离及磁性收集过程示意图[51]Fig.4 Illustration for the removal of oil from water surface through highly hydrophobic Fe2O3@Cnanoparticles under external magnetic field[51]图5 超疏水双层铜网进行油水分离和净化水的示意图[62]Fig.5 The schematic process of water purification by usinga double-layer TiO2-based mesh film[62] WANG等[23]制出了一个能够收集溢油的微型装置(图6).利用高温氧化使铜网表面形成氧化铜,再用软脂酸(PA)进行表面改进,将其制作成一个盒状的装置,并接触甲苯-水的混合液,可以看到甲苯被盒子快速吸入,并逐渐充满整个盒子,整个过程不超过2min,分离效率达到96%.除此之外,还可以使用电化学沉积的方式[63-64]或者电化学阳极氧化法[65]在铜网表面构筑粗糙微纳米结构,然后修饰低表面能化合物使其具有超疏水/超亲油的特性.图6 氧化铜盒状装置油收集过程[23]Fig.6 Photographs of process of separating toluene fromwater using the as prepared miniature box[23]DOI:10.14002/j.hxya.2015.06.002|化学研究,2015,26(6):561-569第6期刘山虎等:超疏水油水分离材料研究进展565 超疏水网膜吸附材料的基底有滤纸、纤维布以及制备的薄膜等.ZHANG等[66-67]运用不同的方法制备TiO2颗粒,并运用不同的工艺方法将其负载在滤纸上制备成超疏水/超亲油表面.TU等[68]通过一步法制备出超疏水/超亲油聚苯乙烯表面,他们利用喷涂法在纤维基底的表面上形成微纳米结构的聚苯乙烯微球,其具有超疏水/超亲油性,能够达到很好的油水分离效果.此外还有通过纤维或纳米线组装而成的超疏水薄膜[69-70]、表面修饰微米颗粒的疏水聚氨酯薄膜[71]等.这类油水分离网膜吸附材料可通过浸渍的方式直接吸收油品,实现油水混合物的分离(图7),使用起来较为方便.缺点是吸油能力一般较弱,不适合分离大量的油水混合物,并且过滤过程中施加压力可能会导致水相穿过滤网/滤膜,影响分离效果.图7 改性滤纸吸油过程[66]Fig.7 Photographs of process of separating oil fromwater using the modified filter paper[66]2.3 超疏水三维多孔材料三维多孔吸附材料因其具有多孔、低密度、价格低廉、可就地重复吸油等优势,成为了现今制备超疏水油水分离材料新的研究热点,研究较多的有气凝胶、海绵或泡沫等.超疏水的气凝胶具有多孔结构和疏水/亲油特性,使其成为性能优良的吸油材料.YU课题组[72]和ZHANG课题组[73]分别将细菌纤维素和原棉经过碳化制备出一种对有机溶液有极好选择性吸收的碳纤维气凝胶,更为重要的是能够根据所吸油的品种来选择通过蒸馏、燃烧或者挤压等不同的方式将这种气凝胶再生,使其得以实现循环利用.此外,研究者还报道了纤维素气凝胶[74-75]、硅气凝胶[76]、石墨烯气凝胶[77]等材料的制备并用于油水分离.海绵是一种轻质多孔的材料,近年来因其自身的多孔性、弹性、易大量工业生产等特点被制备成超疏水/超亲油材料,应用在油水分离方面.FANG等[78]以高含氮量的聚三聚氰胺甲醛海绵为基体,通过氮气环境400℃热解和三甲基氯硅烷超疏水改性处理制备出一种多功能海绵,其具有超轻、耐高温、可压缩性,并且具有很高的油水分离能力,能吸收是其自身重量158倍的油品,然后再通过燃烧或挤压将吸收的油去除(图8).图8 UFC海绵通过燃烧(a)和挤压(b)方法再生[78]Fig.8 The regeneration of the UFC foams via(a)combustion and(b)squeezing[78] RUAN等[79]利用三聚氰胺泡沫经过简单温和的两步反应制备出具有卓越吸收能力和阻燃性能的超疏水泡沫.首先通过多巴胺聚合在三聚氰胺泡沫表面覆盖一层聚多巴胺薄膜,然后在全氟硫代癸烷溶液中疏水改性,改性后的泡沫具有很好的油水分离性能,并可通过高温或挤压再次利用,经过100次的吸收和挤压过程其形貌仍然保持完整且水滴接触角高达158.3°,展现出极佳的耐用性能.ZHANG等[80]采用一种新奇有效的甲硅烷基化过程制备了纳米纤维素海绵,其较传统有机多孔材料具有更好的弹性,同时具有超疏水和超亲油性,能够吸收大量的油品,高达其自身质量的100倍.除此之外,研究者还报道了石墨烯海绵[81]、碳纳米管(CNT)海绵[82]、炭黑(CS)海绵[83]、聚乙烯乙酸甲醛海绵[16]等用于油水分离的研究.聚氨酯(Polyurethane,PU)海绵具有丰富的孔隙结构和良好的弹性,并且易发泡制备,价格低廉,能够大规模生产,近年来得到广泛的研究,尤其是在油水分离方面,聚氨酯海绵成为了良好的制备超疏水材料的基底.江雷课题组[26]利用铬酸溶液腐蚀在聚氨酯海绵表面铸造粗糙表面,再用氟硅烷(FAS)表面修饰得到具有自清洁和能油水分离的多功能海DOI:10.14002/j.hxya.2015.06.002|化学研究,2015,26(6):561-569566 化 学 研 究2015年绵材料,具有超疏水和超亲油的同时能够耐酸碱腐蚀、且能达到约95%的油水分离效率.WANG等[84]将聚氨酯海绵通过在CNT/PDMS悬浮液中反复浸泡-干燥制备出一种强大的超疏水超亲油材料,将其与真空装置连接起来就可以一次性连续快速地从水表面吸收是其自身质量35 000倍的油品(图9),同时对无表面活性剂的油包水型乳液也能达到很高的分离效果.图9 连续油水分离系统[84]Fig.9 Photographs of the continuous oil/water separationsystem[84] CALCAGNILE等[85]在聚氨酯海绵表面负载超顺磁性氧化铁颗粒,再经聚四氟乙烯改性等一系列复杂过程制备出具有磁性响应的超疏水超亲油海绵,改性后的海绵对水的接触角达到160°,能够在磁铁驱动下将水面上的油快速吸收(图10).GAO等[86]采用溶液浸渍法使聚氨酯海绵表面覆盖上氧化石墨烯片层,在80℃下用肼将氧化石墨烯还原1h得到超疏水/超亲油海绵材料,其具有很高的吸油能力.此外,还有利用多巴胺聚合将碳纳米管负载在聚氨酯结构上制成的超疏水/超亲油海绵材料[87],采用溶液浸泡法制备的负载Cu-C11H23COOAg纳米颗粒的超疏水海绵材料[88],以及PAN课题组[89]以聚氨酯海绵为基底先经过热解-嫁接制备的一系列超轻磁性Fe2O3/C、Co/C和Ni/C海绵复合材料,这些材料经过聚硅氧烷表面改性即可形成超疏水/超亲油海绵.图10 磁场驱动下油水分离过程[85]Fig.10 Photographs of removal of the oil by themagnetically driven PU/NPs/PTFE sample[85]3 展望基于特殊浸润性原理的油水分离材料在处理海洋溢油以及工业油水分离领域展现了良好的应用前景.但由于目前的技术及开发成本等限制,商业化的相关产品还不多.后续研究还需要加强基于浸润性原理的基础研究,并用于指导油水分离相关产品的开发.如何改善表面低表面能修饰方法,优化制备工艺及后处理过程,建立低成本高效油水分离体系仍然是后续研究的目标.此外,未来的研究还应关注特殊条件下油水混合物中微量油或者微量水的去除.参考文献:[1]NORDVIK A B,SIMMONS J L,BITTING K R,et al.Oil and water separation in marine oil spill clean-up op-erations[J].Spill Science &Technology Bulletin,1996,3(3):107-122.[2]SHANNON M A,BOHN P W,ELIMELECH M,etal.Science and technology for water purification in thecoming 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method.Au-Pd/CNTs and Au-Pd/G cata-lysts were promising catalysts with excellent cata-lytic and stability for formic acid oxidation.Moreo-ver,as substrate for Au-Pd nanoparticles,gra-phene has better performance than carbon nano-tubes.The HCOOH oxidation of Au-Pd/CNTsand Au-Pd/G was a diffusion controlled behaviorin the range of scan rate from 80mV·s-1 to 300mV·s-1 and 40mV·s-1 to 240mV·s-1,re-spectively.All this proves that graphene supportedAu-Pd nanoparticles is a promising candidate as ananode catalyst of direct formic acid fuel cell.References:[1]HOSHI N,KIDA K,NAKAMURA M,et al.Structur-al effects of electrochemical oxidation of formic acid onsingle crystal electrodes of palladium[J].J Phys ChemB,2006,110:12480-12484.[2]ZHANG G J,WANG Y,WANG X,et al.Preparationof Pd-Au/C catalysts with different alloying degree andtheir electrocatalytic performance for formic acid oxida-tion[J].Appl Catal B-Environ,2011,102:614-619.[3]WANG X,TANG Y,GAO Y,et al.Carbon-supportedPd-Ir catalyst as 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摘 要: 纤维素是一种 可再 生的生物材料 , 具有 良好的 力学性能、 柔韧性和透 气性 。通过 对纤 维 素表 面进行物理和化 学改性 , 可实现纤维素表 面超疏水化 , 从 而扩 大纤维素的应 用范 围。本文概述 了纤维素基 超疏水材料 的研究成果 和现状 , 重点介 绍 了浸渍 法、 喷涂法 、 接 枝聚合 法、 气相 沉积 法、 水热法等 方法在滤纸 、 棉 纤维、 微球等 纤维素基材上构建纤维素基超疏水材料。
d o i : 1 0 . 3 9 6 9 / j . i s s n . 0 2 5 3 - 2 4 1 7 . 2 0 1 6 . 0 6 . 0 1 8
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l o w d r a g g i n g c o a t i n g s i f e l d s .C e l l u l o s e i s a r e n e wa b l e b i o ma t e r i l a wi t h g o o d me c h a n i c a l p r o p e r t y,f l e x i b i l i t y a n d p e r me a b i l i t y .
( C o l l e g e o f Ma t e r i a l E n g i n e e r i n g , F u j i a n A g r i c u y U n i v e r s i t y , F u z h o u 3 5 0 0 0 2 , C h i n a )
关键词 : 纤维素; 纳结构; 超 疏 水
中图分类号 : T Q 3 5
文献标识码 : A
文章编 号 : 0 2 5 3 — 2 4 1 7 ( 2 0 1 6 ) 0 6 — 0 l 1 9 — 0 8
引文格式 : 巫龙辉 , 卢生昌, 林新兴 , 等. 纤维素基超疏水材料 的研 究进展 [ J ] . 林产化 学与 工业 , 2 0 1 6 , 3 6 ( 6 ) : 1 1 9 — 1 2 6
Re s e a r c h P r o g r e s s i n S u p e r h y d r o p h o b i c Ce l l u l o s e — b a s e d Ma t e r i a l s
WU L on g — h u i ,LU S h e n g — c h a n g,L I N Xi n— x i n g,XI AO He,WU Hu i ,HUANG Li u — l i a n,CHEN L i — h u i
Ab s t r a c t : T h e s u p e r h y d r o p h o b i c i t y o f ma t e i r a l s u r f a c e i s d e p e n d e d o n t h e c o mb i n a t i o n o f l o w s u r f a c e — e n e r g y s u b s t a n c e s a n d mi c r o / n a n o r o u g h s u r f a c e s t r u c t u r e .T h i s p l a y s a n i mp o r t a n t r o l e i n a d s o r p t i o n ,s e l f - c l e a n i n g ma t e i r a l s ,c o r r o s i o n r e s i s t a n c e ,a nd
第3 6卷第 6期 2 0 1 6年 l 2月
林 产 化 学 与 工 业
Ch e mi s t r y a n d I n d u s t y r o f F o r e s t P r o d u c t s
Vol _ 3 6 No . 6 De e . 2 01 6
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