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西安工程大学武海良教授、姚一军副教授 CEJ/CP:在天然高分子荧光材料和超吸电解质溶液材料方面的新进展
2024-02-03  来源:高分子科技

  近日,西安工程大学武海良教授、姚一军副教授在高稳定性荧光可调高分子发光膜、超吸电解质溶液凝胶材料方面取得新进展,在国际知名TOP期刊发表研究论文2篇。研究成果对利用纺织可再生资源加工绿色功能生物基高分子材料,以推动其在高端安全警示织物、热湿管理防护织物等方面应用具有重要参考。


高稳定性荧光可调纤维素发光膜

 


  该工作在前期制备的不同形貌纤维素基微凝胶基础上(Carbohydrate Polymers, 2021269118265),提出了一种采用中空微球包覆疏水荧光染料制备高稳定、荧光可调和柔性高分子发光膜的方法。其主要策略是:中空微球体系中存在疏水相互作用、分子内/分子间氢键作用、明胶蛋白质产生的静电斥力及中空疏水微区,其中疏水相互作用和分子内氢键可将荧光分子稳定负载到疏水微区,避免外界环境对荧光分子干扰,增强荧光稳定性;静电斥力和疏水微区可改善荧光分子分布,降低荧光分子聚集;上述作用相互协同有利于增强荧光微球发光强度和稳定性,荧光强度可通过疏水染料FITC负载量、烷基链长度和取代度及中空微球浓度进行调控。本工作不仅可以提高疏水荧光染料在水中分散性,还可以防止染料脱落和聚集,对解决具有聚集诱导淬灭效应的荧光分子易聚集和稳定性差的问题具有重要意义,为制备环境友好型特异性强的高分子荧光材料提供了一种简便、绿色、通用的方法。


  SEM、DLS、AFM、UV-vis、荧光光谱为FITC在中空纤维素基微球的成功封装提供依据,不同包覆量的微球膜在365nm紫外光刺激下均显示出绿色荧光且荧光强度可调。所得荧光膜显示了较强的紫外光吸收能力、优异的光学稳定性及可折叠和易卷绕特性。与晶须状纤维素基微凝胶负载荧光染料构建的发光膜相比,本工作获得的中空微球荧光膜具有更高的耐溶剂性、水接触角和热稳定性。除此之外,由于纤维素材料固有的大分子特性和中空荧光微球的高稳定和易成形能力,荧光材料可加工成易于使用、经久耐用和用途广泛的涂层材料和纤维,在发光器件、特殊场景警示、智能标签、防伪材料等领域具有潜在的应用价值。 


图1 中空纤维素基荧光微球制备原理及性能特征 


图2 中空纤维素基荧光微球加工的涂层及纤维荧光外观


  相关工作以“Tunable Photoluminescent, Water-Resistant and FlexibleFilms Prepared Using Hollow Cellulose-Based Microspheres Encapsulating Hydrophobic Fluorescent Dyes”为题发表在Chemical Engineering Journal期刊(SCI一区TOP,IF=15.1)。纺织科学与工程学院姚一军副教授为论文第一作者兼通讯作者,武海良教授为共同通讯作者。研究生薛囝囡、郝可鑫、曹婍、付岽等参与了本工作。


羧甲基纤维素基超吸电解质溶液凝胶 



  超吸水材料具有吸水倍数高、保水能力强、外观柔软、内部呈多孔网状结构等优点,在土壤保湿、医用防护服、伤口敷料、卫生用品等领域受到广泛关注。然而,现有大多数超吸水凝胶在制备过程中,仍依赖于较长时间(超过1h)的加热或紫外线辐射,且存在对含电解质水溶液吸收能力有限、吸水后机械性能不足的问题,阻碍了其实际应用。


  针对上述问题,西安工程大学武海良教授、姚一军副教授在前期超吸水淀粉-海藻酸钠-聚丙烯酸凝胶织物基础上(Cellulose, 2023, 30(11), 7113-7128),提出了一种液态金属/可聚合深共晶溶剂(LM/PDES)体系诱导双交联聚合快速制备羧甲基纤维素基水凝胶(CMC-PAA-LM/PDES)方法,该反应仅需5 min即可完成,大大缩短了凝胶时间。FTIR和XRD为CMC-PAA-LM/PDES凝胶结构中Ga3+与羧基之间的配位交联以及CMC与PAA组分间的化学交联提供证据;所得水凝胶孔径随LM-AA/PDES含量增加而逐渐减小。得益于刚性CMC多糖链增加了柔性PAA分子链离子基团间距离以产生高渗透压、以及CMC和PAA结构上亲水基团、静电斥力、大孔结构、双交联等作用相互协同,为凝胶吸收液体提供驱动力和空间。CMC-PAA-LM/PDES凝胶对生理盐水吸收能力达到97 g/g,超过了单一交联CMC-PAA凝胶和已报道的超吸水材料(71 g/g)。此外,超吸水凝胶表现出优异的保水、拉伸和压缩性能。本工作解决了超吸水凝胶制备过程依赖较长时间加热及吸水凝胶机械性能不足的问题,为提高超吸水材料对含电解质水溶液的吸收能力提供理论参考。基于该超吸水材料优越的综合性能,在干旱地区作物生长、防护服吸液储液层、油水分离等方面显示出巨大的应用潜力。 


图3 双交联高吸水性CMC-PAA-LM/PDES凝胶的制备及性能特征


  相关工作以“Superabsorbent Carboxymethyl Cellulose-based Hydrogel Fabricated by Liquid-Metal-Induced Double Crosslinking Polymerisation”为题发表在Carbohydrate Polymers期刊(SCI一区TOP,IF=11.2)。西安工程大学纺织科学与工程学院硕士研究生曹婍陈静为共同第一作者,通讯作者为姚一军副教授和武海良教授。


  以上工作得到了国家自然科学基金(52203125)、泰山产业领军人才工程专项经费、中国纺织工业联合会应用基础研究项目、陕西省教育厅重点项目等资助。


  文章链接:

  https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.149116

  https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2024.121910


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(责任编辑:xu)
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