东华大学夏于旻课题组《Chem. Eng. J》：基于竹仿生，由POM纤维制备的可回收、可变形的微纤维油水分离材料

2023-01-20 来源：高分子科技

随着现代工业的快速发展，化工厂排放的含油废水以及漏油事故造成的油污染事件将逐渐增多，导致严重的水污染，这一现象会使生态系统恶化，使人们赖以生存的淡水资源受到巨大威胁。因此基于其对生态系统和人类健康的重要性，在全球范围内，油水混合物的分离都已成为一项重大挑战。近期，由于聚合物具有多样性和可加工性的优势，大量研究人员使用聚合物来制造油水分离膜。制备油水分离聚合物膜需要两个前提，一是材料对油水具有特殊浸润性，二是具有3D多孔结构。

近期，东华大学材料科学与工程学院夏于旻副教授课题组，通过仿生竹得到竹纤维素再制备纤维素浆粕造纸的过程，将聚甲醛(POM)拉伸纤维通过机械拆解法制备得到POM微纤维(PMF)，再得到POM微纤维膜(PMFM)。

图1.竹子造纸工艺：（a₁）竹子;（b₁）竹内部纤维素排列示意图;（c₁）竹纤维素微纤维；（d₁）滤纸。合成纤维(POM)制备微纤维膜的工艺流程：（a₂）合成纤维(POM纤维)。（b₂）POM拉伸纤维内部取向的原纤化结构；（c₂）PMF；（d₂）PMFM。

POM微纤维是一种具有潜力的油水分离材料，它有十分优异的疏水性和亲油性，高度稳定的化学性质，以及独特的微纤维材料的可回收性和可变形性。

将POM拉伸纤维剪切成2cm左右的短切纤维，再在水环境中用机械粉碎机对短切纤维进行剪切，粉碎和拆解得到PMF水分散液，通过抽滤，烘干等操作得到PMF和PMFM。同时，使用POM初生纤维也经过上述相同制备工艺得到了POM初生纤维粉末样品，发现其无法制备得到分离膜这是因为POM拉伸纤维中具有热牵伸过程带来的高度取向的原纤化结构，通过拆解这种原纤化结构即可制备得到微纤维，进而通过微纤维间的相互穿插、交叠、支撑得到微纤维膜。这种原纤化结构和微纤维结构在POM初生纤维和初生纤维粉末中是不具备的。此外，在制备策略方面，PMF的制备过程中仅用到了去离子水，没有使用任何化学试剂，实现了零污染，这种策略对微纤维材料的环保性制备具有重要的借鉴意义。

图2.（a）用POM初生纤维和POM拉伸纤维制备POM初生纤维粉末和PMF的工艺，以及机械剪切、粉碎和拆解示意图；（b）POM初生纤维粉末；（c）PMF；（d）（g）PMFM照片；（e）POM初生纤维粉末的SEM照片；（f）PMF的SEM照片。

PMFM具有超疏水性。在不同的机械粉碎时间下，得到的PMFM最高的空气中的水接触角达到了131°，而在油中的水接触角可高达160°，且在10次循环内，PMFM的空气中和油中的水接触角分别维持在130°和160°左右，较之前无明显下降。

图3.（a）PMFM的阻水能力；（b）不同机械粉碎时间得到的PMFM的空气中水接触角；机械粉碎时间为（b₁）5分钟、（b₂）30分钟、（b₃）50分钟、（b₄）120分钟的PMFM的SEM照片；（d）油水分离前后PMFM空气中的水接触角；（e）环己烷中的水接触角；（f）氯仿中的水接触角；（g）环己烷中，水滴在PMFM表面滚动不粘附。

PMF具有超亲油性。PMF可在0.1s内将油完全吸附，并且对于各种油和有机溶剂的吸附量在11-20倍。其中对于氯仿的吸附量最大，为自身重量的19.5倍，且在10次循环内仍能保持较高的吸附量。

图4.（a）环己烷吸附；（b）氯仿的吸附；（c）PMF在10个循环内对氯仿和环己烷的吸附能力；（d）PMF对各种油和有机溶剂的吸附能力。

PMF可以直接吸附油相。将PMF直接投入含有油相的水（油相漂浮在水面或沉在水底）中，轻微搅拌后即可将油相吸附完全，且吸附后PMF会粘附聚集成团块状，经打捞后可留下清洁的水体。

图5.（a）PMFM吸附和分离水中的氯仿；（b）PMFM吸附和分离水中的环己烷；PMF吸附和分离水中的氯仿；（d）PMF吸附和分离水中的环己烷。

使用PMFM分离油水混合物的分离效率超过99%接近100%，且在10次循环内分离效率依旧维持在99%以上。此外，PMF的耐溶剂性使得其可分离各种各样的油及有机溶剂和水混合物，PMF的可回收性保证了其重复分离油水混合物时的效率，可变形性确保其可适用于的各种复杂的油水分离环境。

图6.（a）氯仿（红色）-水（蓝色）分离过程以及分离前后氯仿和水的体积；（b）10次循环内氯仿-水分离效率和的连续分离效率；（c）氯仿-水混合物的连续分离过程。

图7.（a）PMF浸入各种油和有机溶剂后的剩百分比；（b）10个循环内，回收的PMF的空气、环己烷和氯仿中的水接触角，图示为在空气、环己烷、氯仿中静置10小时的水接触角；（c）回收的PMF的各种油和有机溶剂的油吸附量。（d）10个循环内，回收的PMF的氯仿-水分离效率和连续分离效率。（e）将PMF构造为油水分离杯进行氯仿-水混合物的分离。

该项成果以“Preparation of recyclable and deformable POM microfiber for oil-water separation with nature-inspired top-bottom strategy”为题发表在Chemical Engineering Journal期刊上。课题组博士生金文斌为本论文第一作者，通讯作者为夏于旻副教授。

论文链接：https://authors.elsevier.com/a/1gQ6s4x7R2gHav

论文DOI链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.141332

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（责任编辑：xu）

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