仿生鲨鱼皮黏液分泌超亲水功能表面的制备及性能

doi:10.7503/cjcu20230089

摘要/Abstract

摘要：

以聚乙二醇型非离子表面活性剂作为亲水改性剂, 与聚氨酯丙烯酸酯预聚体复合, 进一步通过紫外光固化等手段制备出仿生鲨鱼皮黏液分泌的超亲水功能表面. 研究表明，在光固化聚氨酯体系中引入吐温20(Tween 20)、吐温40(Tween 40)、吐温60(Tween 60)、吐温80(Tween 80)、吐温85(Tween 85)或曲拉通X-100 (Triton X100)等亲水改性剂, 可获得具有稳定自修复功能的超亲水仿生功能表面, 且展示出较好的透光性和防雾与油-水分离效果. 该仿生鲨鱼皮黏液分泌超亲水功能表面的制备方法简单有效、绿色环保, 为仿生超亲水表面材料的设计和制备提供了新思路, 有望用于生物医用涂层、油-水分离及防污涂料等领域.

关键词: 仿生材料, 超亲水性, 光固化聚氨酯, 防雾性, 油-水分离

Abstract:

The skin of sharks exhibit superhydrophilic and underwater superoleophobic properties through the continuous secretion of mucus. Inspired by this， we propose a simple route to create superhydrophilic surface through the introduction of hydrophilic modifiers into the polymer matrix， simulating the secretion of shark skin mucus by means of spontaneous migration of hydrophilic modifiers onto the polymer surface. In this paper， polyethylene glycol type nonionic surfactants were selected as hydrophilic modifiers， which were firstly mixed with polyurethane acrylate prepolymer， after that， the mixture was cured by UV radiation to obtain the bionic functional surface. Research results showed that the introduction of hydrophilic modifiers such as Tween 20， Tween 40， Tween 60， Tween 80 or Triton X100 into the UV-curable polyurethane system can obtain superhydrophilic surface with stable self-repairing function， excellent light transmittance， antifogging and oil-water separation effects. This method is simple， cost-effective， and environmentally friendly， which provides a new idea for the design and preparation of bionic superhydrophilic surface， and therefore， it is expected to be effectively used in biomedical coatings， oil-water separation， antifouling coatings， etc.

Key words: Biomimetic material, Superhydrophilic property, UV-curable polyurethane, Antifogging property, Oil-water separation

中图分类号:

O631

TrendMD:

刘云鸿, 彭新艳, 刘小龙. 仿生鲨鱼皮黏液分泌超亲水功能表面的制备及性能. 高等学校化学学报, 2023, 44(8): 20230089.

LIU Yunhong, PENG Xinyan, LIU Xiaolong. Bionic Preparation and Characterization of Superhydrophilic Functional Surface Based on Shark Skin Mucus Secretion. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(8): 20230089.

图/表 14

Fig.1 FTIR spectra of PPG(a), IPDI(b), IPU(c) and PUA(d)

Fig.2 ATR⁃FTIR spectra of polyurethane acrylate prepolymer(a) and UV⁃curable superhydrophilic coating(b)

Table 1 Chemical composition of the samples

Sample	Mdar fraction（%）
Sample	C	O	N
SPU⁃blank	64.2	33.7	2.1
SPU⁃Tween 20	63.1	35.3	0.6
SPU⁃Triton X100	61.7	38.1	0.2

Fig.3 XPS wide spectra of SPU⁃Triton X100(a), SPU⁃Tween 20(b) and SPU⁃blank(c)

Fig.4 Transmittance(A), anti⁃fogging behavior(B) and water contact angles(C) of the glass substrate and the coated samples

Fig.5 Water contact angles of the UV⁃curable polyurethane substrates treated with different types(A) and concentrations(B) of surfactants（A） a. SPU-blank； b. Tween 20； c. Tween 40； d. Tween 60； e. Tween 80； f. Tween 85； g. Triton X100.

Fig.6 Chemical structures of hydrophilic modifiers

Fig.7 Changes in the water contact angle after the alcohol/heating treatmens

Fig.8 SEM images of original SSM(A, B) and SSM⁃SPU⁃Tween 20(C)

Fig.9 Water contact angles(A, B) and underwater oil contact angles(C, D) measurements of SSM(A, C) and SSM⁃SPU⁃Tween 20(B, D)

Fig.10 Photographs of the oil⁃water separation tests of SSM⁃SPU⁃Tween 20 over water⁃white oil 15 mixture

Fig.11 Separation efficiency of the SSM⁃SPU⁃Tween 20 and SSM⁃SPU⁃Triton 100 membranes for various oil⁃water mixturesa， d. Peanut oil； b， e. industrial white oil； c， f. petroleum ether.

Fig.12 Separation efficiencies for different cycles of the SSM⁃SPU⁃Tween 20(a) and SSM⁃SPU⁃Triton 100(b) membranes for the water⁃chloroform mixture

Fig.13 Schematic diagram of the microreplication process of shark⁃skin surface(A), SEM images of fresh shark skin(B), femal⁃mold(C) and biomimetic Shark⁃SPU(D), water contact angles(E, G) and under water oil contact angles(F, H) on fresh shark skin(E, F) and biomimetic Shark⁃SPU(G, H)

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