油烟（Lampblack）是日常烹饪过程中产生的一种复杂混合物，主要由小液滴、气体和固体颗粒组成，过量吸入会对肺部及心脑血管系统造成严重损伤。抽油烟机可以减轻与油烟排放有关的危害，其处理油烟包括三个阶段：预过滤、离心分离和静电降解。在预过滤阶段，油烟机内的泡沫金属格栅会拦截大部分的油和水滴，但随着油滴的积累污染，金属格栅需要频繁地清洗以保持过滤效果，这浪费了大量的人力和财力。因此，开发一种经济耐用的涂层技术来提高预过滤金属格栅的自清洁性是十分必要且迫切的。
近年来，科学家们一直在尝试用超双疏涂层技术解决这一问题，通过排斥油滴在油烟机器件表面的直接粘附，延长其清洗周期。然而，尽管有许多关于先进超双疏涂层的报道，但针对油烟预过滤领域，这种策略仍然存在成本高昂、耐久性严重不足、表观性差等突出问题。超亲水表面在水下同样表现出疏油特性，因此困在泡沫格栅中的油污可仅在水洗条件下实现快速脱附，且超亲水涂层易于实现成本性、工艺性和表观性的兼顾。然而，目前针对油烟预过滤领域开发超亲水涂层还未有相关研究进展。
基于此，东南大学张友法教授团队采用交联强化策略，优选小粒径（7-40nm）纳米二氧化硅颗粒作为涂层填料，构建了纳米级粗糙度的油下超亲水涂层，利用聚硅酸锂（LSH）在200℃下与纳米二氧化硅颗粒进行脱水交联生成网络状硅氧硅（Si-O-Si）结构，显著增强了超亲水涂层基体的力学性能，在保证优异去油能力的同时实现了涂层耐用性的强化。相关成果以“Oil-resistant underoil superhydrophilic metallic foams for lampblack pre-filtration” 为题，发表于《ACS AMI》，东南大学博士生陈俊旭为第一作者，张友法为通讯作者。
Fig. 1 LSH油下超亲水泡沫金属过滤油烟示意图LSH油下超亲水泡沫金属在油烟预过滤中的作用如上图1所示。油烟中含有大量微小的油、水液滴，得益于改性后泡沫金属的突出油下亲水性，接触到油烟后，水蒸气和微小水滴迅速覆盖泡沫金属纤维形成水膜，阻碍油滴的黏附，先吸附的油滴也在与水的竞争吸附中被置换出来，因此不同于传统未改性泡沫金属的直接黏附，LSH油下超亲水泡沫金属在过滤油烟的过程中，油相一直处于动态脱附过程。这种方法不仅能够延长泡沫金属的单次使用寿命，还能够使其仅在自来水的冲洗下实现性能再生，是一种效果显著、低成本且可规模化的改性策略。
Fig. 2 LSH油下超亲水涂层的设计与泡沫金属改性前后的润湿性对比LSH油下超亲水涂层可用简单的浸涂方法进行改性，其设计原理和基本润湿性能如图2a-c所示。作者主要利用聚硅酸锂LSH在200℃下的短时高温脱水缩合反应即高温固化，构建了致密均匀的硅氧硅共价网络，增强了涂层的耐用性；硅氧硅网络内游离的磺酸基亲水助剂和流平剂则强化了涂层的亲水性。与未处理的泡沫金属进行对比，LSH改性的泡沫金属展现了显著的粘稠油脱附能力及油下亲水性，而未改性泡沫金属既无油脱附能力也无油下亲水性。
Fig. 3 LSH涂层改性的泡沫金属格栅与原始格栅的油烟预过滤性能对比如图3所示，得益于LSH涂层优异的油下超亲水性和耐用性，LSH涂层改性泡沫金属展现了更好的脱油效果与使用寿命。图3b-c展示了在经过17天的实际烹饪测试后，原始格栅的表面呈黄棕色，质量增加了15.7%，而LSH涂层改性样品显示出更浅的颜色，质量增加仅为6.4%。简单水冲洗后，前者内部孔隙仍然被油脂严重堵塞，且增重仍有7.8%，后者内部孔洞观察不到明显的油污残留，增重也下降至3.3%。小结：综上所述，采用聚硅酸锂（LSH）与纳米二氧化硅颗粒进行交联强化是一种极具应用前景的涂层强化技术。本研究开发了一种新型的LSH涂层，采用简单的浸涂法，并在200°C下加热5分钟。该涂层表现出优异的油下超亲水性（UO-WCA = 3.4°），能够通过水冲洗有效去除油滴。LSH涂层即使经过900次摩擦循环（500克负载）和在50°C的肥皂水中浸泡48小时后，仍能保持超亲水性（WCA = 8.9°）。此外，经过LSH涂层处理的金属泡沫在喷油测试、油浸泡测试和实际烹饪测试中均表现出了显著较低的增重，其表面也保持了银灰色金属光泽，没有明显的油污粘附，说明该策略在提高油烟预过滤效率和延长预过滤泡沫金属格栅使用寿命等方面具有巨大应用潜力。
原文链接：
Chen, J.; Deng, W.; Wang, W.; Liu, J.; Zhang, M.; Liu, X.; Hu, Y.; Zhang, P; Yu, X.；Zhang,Y.
Oil-Resistant Underoil Superhydrophilic Metallic Foams for Lampblack Prefiltration. ACS Appl. Mater. Interfaces 2024. DOI: 10.1021/acsami.4c13153
https://doi.org/10.1021/acsami.4c13153
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