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光致润湿性变化涂层光敏剂的研究进展

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光致润湿性变化涂层光敏剂的研究进展


近年来,润湿性涂层由于能够为不同材料赋予亲水性、疏水性、亲油性、疏油性等性质而备受关注。然而,随着实际应用需求的增加,固定润湿性的涂层无法满足日益增长的需求。例如传统油水分离是通过疏水/亲脂或亲水/疏油材料分离油水混合物,然而这种材料无法满足不同密度的重油/水、轻油/水的多种分离,即无法实现在油水分离中选择性除水/除油,因此根据实际应用情况不同,使用可逆润湿性的涂层材料成为解决此类问题的有效方法之一。

刺激响应型材料是指可在外部刺激下改变其初始性质(如颜色、润湿性等)的材料。在众多外部刺激中,光刺激因其不直接接触、无污染、响应快等特点,成为合成可变润湿性材料的策略之一,通过不同波长照射下,材料的润湿性可发生可逆性变化。因此通过不同光敏剂合成光致润湿性涂层,可以简单便捷地为不同基材赋予光致润湿性变化性能,可用于多种领域,如油水分离膜制备、智能微流控设备等。

本文综述了目前光致润湿性变化材料所使用光敏剂的研究进展,并介绍了目前合成光致润湿性变化涂层材料所使用的的光敏剂的主要类型,通过光敏剂的类型阐述了其光致润湿性改变的机理,并对2种类型光敏剂的优缺点进行了总结,最后,展望了未来光致润湿性变化涂层所需光敏剂的特点。

1

无机光敏剂

无机氧化物具有良好的化学和机械稳定性、低成本以及优异的光电性能等。在各种氧化物材料中,二氧化钛(TiO

2

)、氧化锌(ZnO)、五氧化二钒(V

2

O

5

)因其优异的光致产生空穴现象而成为合成可控润湿性材料的表面改性剂。

1.1

二氧化钛

TiO

2

在紫外光(UV)照射下价带电子被激发,从而在表面生成电子空穴对,这种空穴可与材料表面桥氧离子反应,形成氧空位,空气中的水解离吸附在氧空位中从而形成表面羟基,化学吸附水可进一步吸附空气中的水分,形成物理吸附层,这些性质可以使得材料在UV照射下由疏水变为亲水。而在加热或置于黑暗后,羟基缺陷空位被具有更强键合力的氧原子取代,表面羟基浓度降低,因此材料由亲水变为疏水。

Yin等报道了以正硅酸乙酯、γ-甲基丙烯酰氧基三甲氧基硅烷和疏水性硅烷偶联剂为前驱体,在TiO

2

纳米粒子和光引发剂存在下,通过溶胶-凝胶法制备功能性光敏杂化溶胶。结果表明,改性后的纤维素接触角>150°,在UV照射200min后,材料的水接触角由158°下降到0°,在黑暗的环境中,材料的接触角逐渐恢复并重现呈现超疏水性,这种可逆过程可以重复8次以上,该溶胶可用于轻油/水、重油/水混合物的油水分离。尽管所报道的材料润湿性变化大,但是如果实际使用中用于不同密度油/水分离时,其润湿性变化所需时间较长,无法用于紧急溢油事故处理,同时在污水处理厂也无法满足经济性能。

1.2

氧化锌

ZnO的光致润湿性改变机理与TiO

2

相同。UV诱导的超亲水性被认为是在UV照射下,形成的氧空位的间隙与晶格氧生成的电子-空穴对,在潮湿的环境中,氧空位有利于水分子的解离吸附,形成亲水的表面。

Zhao等合成了具有可逆润湿性的ZnO薄片,这种ZnO薄片可通过UV、近红外调整其润湿性,在UV照射下,其接触角可由125°降为5°以下,而在近红外光照下,其可基本恢复为最初的润湿性。Raturi等合成了一种ZnO纳米线包覆的可逆智能材料,利用氧化锌纳米线通过化学气相沉积法涂覆在不锈钢网上,合成的纳米ZnO涂层显示出超亲水/水下超疏油润湿性,此外,智能网的润湿性可以在300℃下交替地在氢气和氧气环境下退火而改变,从超亲水变为超疏水。油水分离研究表明,在不同润湿性模式下的循环油水分离10次,其99.9%的分离效率保持不变。

1.3

五氧化二钒

钒是一种有色金属,V

2

O

5

广泛用于化工行业,可用作有机化工的催化剂,此外还用作无机化学品、化学试剂、搪瓷和磁性材料等。近年来,智能响应材料吸引....


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