【摘 要】
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超疏水(superhydrophobic)材料是指材料表面静态接触角大于150°,滑动角小于10°的特殊润湿性能材料。超疏水材料具有自清洁、防腐蚀、油水分离、抗结冰、抗菌等诸多优良特性,因而被研究人员广泛关注。与此同时,家蚕丝素蛋白材料是一种天然的高分子聚合物,具有绿色环保、可生物降解、生物相容性好等优点,在纺织、化妆品、医药等领域均有广泛的应用。尽管家蚕丝素蛋白作为织物,具有光滑的触感、良好的透
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超疏水(superhydrophobic)材料是指材料表面静态接触角大于150°,滑动角小于10°的特殊润湿性能材料。超疏水材料具有自清洁、防腐蚀、油水分离、抗结冰、抗菌等诸多优良特性,因而被研究人员广泛关注。与此同时,家蚕丝素蛋白材料是一种天然的高分子聚合物,具有绿色环保、可生物降解、生物相容性好等优点,在纺织、化妆品、医药等领域均有广泛的应用。尽管家蚕丝素蛋白作为织物,具有光滑的触感、良好的透气性能等,然而其高亲水的表面特性往往导致丝织物容易被污染,并且在生产上也对丝织物上色等工艺造成了极大地困难。因此,如何对家蚕丝素蛋白材料进行改性,使其具有疏水性表面,是拓宽其应用的关键。目前,构建微/纳米拓扑结构和形成低表面能是获得超疏水材料的两个关键因素,已有多种方法用于材料表面构造疏水结构。然而,在家蚕丝素蛋白材料上构造微/纳米多级结构进而改善其超疏水性能尚不明确,现有的方法程序复杂且难以规模化生产。因此,如何有效的在家蚕丝素蛋白材料表面构造微/纳米结构成为获得超疏水性家蚕丝素蛋白材料的难点。本研究,先后使用两种不同方法在天然丝素蛋白材料和再生丝素蛋白材料上构建超疏水结构,并对其自清洁、油水分离等功能进行了探究。(1)超疏水丝织物的制备及其功能研究本节研究主要通过溶液浸渍法制备超疏水丝织物,并对其系列功能进行研究。首先,在室温条件下制备疏水性的二氧化硅(SiO2)纳米颗粒,随后,将疏水二氧化硅纳米颗粒与聚二甲基硅氧烷(PDMS)按照不同质量比超声,形成均匀涂层溶液,最后将丝织物浸入涂层溶液中20min,取出后干燥固化3h获得超疏水丝织物。利用扫描电镜(SEM)观察表面微观结构,发现丝织物表面形成多孔微/纳米粗糙结构。通过接触角和滑动角测量,发现SiO2/PDMS质量比为4:5时,获得的丝织物超疏水性能最佳;自清洁性能和抗菌性能测试结果表明,超疏水织物能够快速移除表面污染物质,并对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率>90%;机械稳定性和化学耐久性测定结果表明,超疏水丝织物在20次磨损循环后,仍然维持超疏水性能,且在中性和弱酸性环境中其超疏水特性并未发生显著差异;油水分离实验结果表明,超疏水丝织物的油水分离效率>90%,对不同类型的油水混合物均具有较好的分离能力,具有作为选择性过滤膜的潜力。(2)超疏水丝素纳米纤维膜的制备及其油水分离性能研究相比于超疏水丝织物的多孔结构,静电纺丝法制备的纤维膜具有更高的比表面积,高度互连的孔结构,良好的柔韧性等优点,因此,用于油水分离具有更大的应用价值。本节研究,利用静电纺丝技术制备再生丝素纳米纤维膜(ESF),并在其表面进行金属有机框架修饰,通过正磷酸十八酯(OPA)的接枝改性和聚二甲基硅氧烷(PDMS)溶液的刻蚀处理,获得具有多级粗糙度的超疏水丝素纳米纤维膜。扫描电镜(SEM)观察结果表明,沸石咪唑酯骨框架材料(ZIF-8)稳定地固定在丝素纳米纤维表面。纤维膜经过接枝改性后其静态接触角为153.5°,具有优异的超疏水性。油水分离实验结果表明,超疏水丝素纳米纤维膜对多种油水混合物均具有较高的分离效率(>95%),使用10次后仍维持较高的分离效率。同时,超疏水丝素纳米纤维膜具有良好的可重复使用性和化学稳定性,可用于分离多种常见的油/水混合物,具有广阔的应用前景。本研究通过两种不同的方法分别制备了超疏水丝织物和超疏水丝素纳米纤维膜,均显示优异的化学稳定性和机械耐久性以及油水分离性能。本研究为家蚕丝素蛋白材料在环境材料领域研究拓展了思路,拓宽了家蚕丝素蛋白材料的应用范围。
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