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  超親水涂層因其高水合性能普遍適用于制備防污涂層。然而，大多數(shù)由相對(duì)柔軟的聚合物組成的親水涂層容易在外力作用下失去其水合能力，導(dǎo)致表面防污能力受損。最近，纖維素納米晶（CNC）因其獨(dú)特的高水合能力，低成本和高強(qiáng)度等特點(diǎn)，在構(gòu)建高強(qiáng)度防污涂層展現(xiàn)出了巨大潛力。然而，限于超親水CNC有限的表面粘附特性，如何把CNC整合為牢固的表面涂層仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

  受海洋生物粘附策略的啟發(fā)，加拿大阿爾伯塔大學(xué)曾宏波教授團(tuán)隊(duì)與Xing-Zhen Chen教授等合作通過引入中間粘附層的方法，開發(fā)了一種簡(jiǎn)單高效的方法將分散的CNC固定為表面涂層的方法。所構(gòu)建的CNC涂層包含雙層結(jié)構(gòu)：中間粘附層以及自組裝CNC層。其中，中間粘附層由單寧酸（TA）/聚乙烯亞胺（PEI）/釩離子（V）組成，可在基底上引入大量官能團(tuán)（例如氨基和鄰苯二酚集團(tuán)）用來錨定CNC。另外，TA/PEI/V中間粘附層的粗糙程度可通過調(diào)整V離子濃度控制，以此來調(diào)控所形成的CNC涂層的致密程度。

圖一. TA/PEI/V-CNC 的設(shè)計(jì)思路以及形成機(jī)制

圖二. TA/PEI/V-CNC的形貌以及自組裝機(jī)理表征

  該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步測(cè)試了CNC涂層的表面潤(rùn)濕性，CNC涂層的水接觸角僅為≈8°，表明CNCs層具有很強(qiáng)的表面親水性。CNCs涂層在水中的油接觸角OCA高達(dá)≈170°，證明了CNC涂層展現(xiàn)了超高的防油污性能。此外，由于CNC涂層的超親水特性，所存在的表面水合層可有效的防治蛋白質(zhì)吸附和細(xì)胞附著。另外，因?yàn)镃NC涂層表面水合層的潤(rùn)滑作用（μ≈0.09），所制備的CNC涂層展現(xiàn)出了較高的耐磨性，在納米摩擦機(jī)的100次循環(huán)摩擦下，CNC涂層的形貌以及表面潤(rùn)濕性能基本保持不變。

圖三. TA/PEI/V-CNC的親水性以及防污表征

  所開發(fā)的CNCs涂層可以沉積在聚偏二氟乙烯（PVDF）膜上并用于其油/水分離。TA/PEI/V涂層在膜表面表現(xiàn)為一層密集的聚集體。CNCs涂層可以在不犧牲膜的多孔結(jié)構(gòu)的情況下沉積在膜表面（圖4），賦予膜對(duì)于分離水包甲苯乳液優(yōu)異的高滲透通量（超過6000 L m^-2 h^-1 bar^–1) 和接近于100%的水通量恢復(fù)率（圖5）。此外，CNCs修飾過后的PVDF膜在經(jīng)過酸/堿/鹽溶液或超聲處理后，其對(duì)于水包甲苯乳液分離性未發(fā)生明顯變化，表明CNCs修飾的膜材料即使在惡劣條件下也具有很好的穩(wěn)定性。同時(shí)，CNCs涂層膜對(duì)表面活性劑和其他污染物如BSA均表現(xiàn)出優(yōu)異的防污性能，這歸因于緊密堆積的CNCs涂層在膜表面形成了穩(wěn)定且致密的水合層。

圖四. TA/PEI/V-CNC 改性PVDF膜的掃描電鏡照片

圖五. TA/PEI/V-CNC 改性PVDF膜的油水分離水通量

  相關(guān)工作以“A Universal Strategy for Constructing Robust and Antifouling Cellulose Nanocrystal Coating”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。阿爾伯塔大學(xué)曾宏波教授（加拿大工程院院士）為論文通訊作者，楊聞帥博士生為本論文的第一作者，潘鳴飛博士生為本論文的共同第一作者。該論文得到了加拿大自然科學(xué)和工程研究委員會(huì)等項(xiàng)目的資助。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202109989