《Applied Surface Science》:具有超疏水性和可调光学性能的生物识别纤维素基薄膜的简易制备

生物基科研前瞻 · 公众号 · · 2023-07-10 08:30

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由天然生物质加工而成的可持续和可生物降解产品为不可降解的石化基塑料提供了有前途的替代品。纤维素因其低成本、广泛可用性和可持续性等优点而被广泛使用。然而，纤维素表面的羟基导致其高亲水性，极大地限制了在潮湿环境中的应用。为了扩大纤维素材料的应用范围，疏水改性正在成为一种有前途的策略，例如纤维素的疏水衍生化以及纤维素的化学改性。在许多可能的改性中，通过表面工程以改善其疏水性能是一个受欢迎的研究领域。

近日， 湖北工业大学冯清华教授团队 提出了一种模仿荷叶结构的简单策略，利用简单的模板进行精密印迹以构建表面微观结构，然后将低表面能纳米颗粒原位接枝到 纤维素复合膜 表面的微观结构上。由此产生的 生物识别超疏水 纤维素复合材料(BSCC)具有稳定的超疏水性能和优异的光学性能(防伪、高透明度(约87%)和高雾度(约75%))。BSCC表现出良好的自清洁行为和高拉伸强度(91.4 MPa)，并且在87 d内可在土壤中生物降解。更重要的是，这项工作展示了一种简单的方法，可以通过工程和增强纤维素基材料的超疏水性和可调光学性能来取代石化塑料。

相关工作以“Facile fabrication of biometric cellulose-based films with superhydrophobicity and tunable optical performance”为题发表于《Applied Surface Science》。

/ 超疏水膜的制备以及形貌 /

首先从针叶木溶解浆中提取纤维素制成纤维素膜（SCF），结合压印法与改性法来获得BSCCs，制造策略如图1a所示，将纤维素膜和模板以及滤纸（用于干燥以固定表面形貌）置于压机中，获得的具有高精度微观结构的干膜(SCF)，随后进行二次改性，所得薄膜被称为SCFy@z，其中“y”是化学改性剂(硅氧烷= S)，“z”是模板类型(铜网格(120目)= C，网丝(600目)= M，尼龙网(4000目)= N)。

图1. 超疏水膜制备工艺示意图。

图1b-d为不同图案尺度下的薄膜图案，微阵列作为第一级微观结构，通过压印模具成功地复制到了样品表面，三种不同样品的网状结构的高度分别为18.7、17.4和5.8 μm，如图1b-d所示，可以观察到大约100µm到20µm的大尺度图案，表明可以很容易地制造出微米尺度的印迹样品，进一步改性后BSCC表面形貌发生明显变化，如图1e所示，类似珍珠项链的硅氧烷链转化为相对致密的三维网状结构，形成第二级微观结构，如图1f所示。

/ BSCC结晶度及化学表面的研究 /

利用拉曼光谱监测自组装Si-O-Si颗粒在表面的吸收分布(图2a)。改性后，SCFS@N在1121 cm ⁻¹ 处的峰强度增加，佐证了Si-O-Si网络的分布(图2b)。XPS(图2c-f)和EDS(图2g)进一步证实了化学接枝的成功。XPS分析表明，样品主要由C和O组成(图2d-e)，而BSCC (SCFS@N)也含有Si，从而证实了样品的表面改性。Si的高分辨率XPS光谱和样品的XPS光谱研究见图2c。两个Si峰分别代表Si-CH3 (Si1)和Si-O-Si (Si2)。通过SEM-EDS分析研究了表面的化学成分(图2g)。计算结果与红外光谱和拉曼光谱结果一致。EDS制图结果(图2h)也显示了Si在SCFS@N表面的均匀分布。

图2. BSCC结晶度及化学表面的研究。

/ 疏水性与自清洁 /

不同表面图案的接触角随时间的变化如图3a所示，SCF的接触角在600秒内从76°±2°变化到0°。相比之下，SCF@N的接触角在600秒内从77°±4°变化到24°±4°，对图案膜表面进行化学修饰，可改变表面能，获得超疏水性。此外，SCFS@N在图案表面(160°±1°)的WCA高于SCFS(148°±2°)，表现出更好的疏水性(图3b)。600s后，液滴形状在图案表面保持相对稳定(158°±0°)，如图3d所示。同时图案越致密，表面的水斥力越大。进一步评价了BSCC (SCFS@N)的自清洁性能，将石墨粉作为人工污垢涂抹在样品的超疏水表面。随后，使用水滴冲洗表面，污垢立即被除去，恢复干净的表面(图3e)。此外，BSCC (SCFS@N)不会被其他液滴润湿，包括红茶、墨水、橙汁或醋等。

图3. 疏水性与自清洁性能评价。

/ BSCCs的稳定性和生物降解性 /

《Applied Surface Science》:具有超疏水性和可调光学性能的生物识别纤维素基薄膜的简易制备

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