面对高端光学材料对“高透明-低折射率-高耐热”的严苛要求,以及工业含油废水治理对高效分离材料的迫切渴望,如何通过分子设计实现单一材料平台的多功能集成,是高分子材料领域的一大前沿挑战。天津大学潘莉教授团队在《Chemical Engineering Journal》发表的最新研究中,通过钌催化开环易位聚合(ROMP)策略与氟代环烯烃单体的结构创新,成功制备了系列含氟环烯烃聚合物(F-COPs)(图一)。该材料不仅实现了光学性能、热稳定性与机械性能的协同优化,更能通过简单一步浸渍工艺赋予多孔商用基材超疏水与高效油水分离功能。
图1 含氟环烯烃聚合物的设计与合成
天津大学潘莉教授团队在环烯烃单体的开发、环烯烃共聚物/聚合物(COC/COP)的设计合成与功能化方面深耕多年,积累了丰富的经验及众多研究成果(Chem. Eng. J. 2024, 494, 153256;Chin. J. Chem. 2025, 43(9), 983-994; Macromolecules 2023, 56(11), 4371-4385;Mat. Chem. Front. 2019, 3(3): 464-471)。本研究中,团队进一步突破单体设计与聚合工艺瓶颈,以降冰片烯、四环十二碳烯衍生物为骨架,设计合成了系列氟代环烯烃单体,并通过ROMP聚合基后续氢化工艺,在单一体系实现了F-COPs氟含量可调、光学等物理性能的协同优化。
光学领域应用探索:尽管传统聚四氟乙烯(PTFE)和聚偏氟乙烯(PVDF)具有高氟含量,但其显著的结晶性却严重制约了它们在高透明度光学材料中的应用。得益于环氟结构的设计,材料的无定形的特性为该新型含氟环烯烃聚合物在光学材料的应用提供了重要结构基础。最终实现材料光学性能的定制调控:可见光区透光率> 90%,折射率(589 nm)实现1.4771~1.3939的连续可调,反射率< 2%,阿贝数> 60,有效满足抗反射等光学涂层应用的需求(图2;图3;图4);
图2 含氟聚合物的折光指数和阿贝数
图3 含氟材料的抗反射性能及涂层应用
图4 含氟环烯烃聚合物优异的透明性
超疏水性能与油水高效分离应用探索:凭借含氟材料固有的低界面能的特性,F-COPs 的另一突破性应用是作为超疏水功能涂层。传统实现超疏水复合材料的构筑往往是借助低表面能材料结合纳米粒子提供的多级微纳粗糙结构,在本工作中通过一步浸涂工艺(含氟聚合物溶液)修饰商用聚氨酯(PU)海绵与棉织物,经浸渍处理后海绵和棉织物表面自发形成多级微纳粗糙结构,最终实现超疏水、高效油水分离材料的构筑。
图5 一步浸渍处理后材料表面形貌的变化
图6 F-PU对非混相油水混合物的选择性分离
相较于传统的非混相油水混合物的分离,具有更小尺寸的油水乳液的分离一直是工业界的一个难点。在本工作中通过以F-cotton fibrics自制的多层叠加过滤层对实际油田生产废水中的油水乳液进行分离处理,经处理后的C10-C40 烃类去除率达99.6%,滤液油含量低于国家排放标准(< 15 mg/L)。简单便捷的浸渍处理工艺为该复合材料的实际工业应用提供了巨大潜力。
图7 F-cotton fibrics对油水乳液的处理
本研究构建了涵盖“分子设计—可控合成—结构调控—多场景应用”的完整体系,实现同一体系的跨领域应用,该研究不仅为高性能光学涂层和抗反射薄膜提供了理想材料平台,也为复杂环境下油水乳液的高效分离提供了新材料解决方案。
该工作以“Multifunctional Fluorinated Cycloolefin Polymers: Efficient Synthesis, Tailored Properties, and Cutting-Edge Applications in Optical Clarity and Superhydrophobic Surfaces”为题发表在《Chemical Engineering Journal》(2025,523,168211)上。文章的第一作者是天津大学材料学院博士生丁营利,潘莉教授为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金的支持,同时在此特别感谢中海油陈卫江、刘铭辉和王新乐专家在油水分离功能验证以及实验方面的帮助和指导!
原文链接:https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.168211
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