托伦尼古拉斯·哥白尼大学Artur P. Terzyk教授Desalination：具有优异机械、化学和防冰性能的有效海水淡化氟化三元聚合物基材料

引用格式：

Zou X, Wang F, He J, et al. Hypothesis: A sustainable dynamic anti-icing surface with the potential for rapid rechargeability[J]. Journal of Colloid and Interface Science, 2024.

冰的积累给许多行业带来了重大挑战。虽然动态防冰表面（DAIS）在减缓冰的形成和粘附方面显示出了潜力，但其实际应用往往受到液体快速扩散和缺乏可重复使用性的限制。克服这些限制对于解决与冰管理有关的环境和经济问题至关重要。在这项研究中，我们介绍了一种新的方法，通过将β-环糊精（β-CD）掺入聚二甲基硅氧烷（PDMS）硅橡胶中，从而能够创建具有快速可充电性潜力的可持续DAIS。β-CD外表面上存在的多个羟基促进偶极-偶极相互作用和氢键，特别是与极性分子如乙醇和异丙醇的氢键。这将表面转变为可充电系统，能够在液体补充后仅10分钟内恢复其低冰粘附功能。当冰在表面上形成时，该系统通过浓度梯度动态地响应环境变化，控制液体的释放并改变表面特性。这些保留的液体有效地降低了冰点，融化了冰，破坏了冰的结构，将固-液界面转化为液-液界面。DAIS有效地改变了冰-基质的相互作用，并在低至-18 ℃的温度下提高了性能。通过优化β-CD的质量比和液体处理，特别是异丙醇，我们实现了0.6 kPa的超低冰粘附强度，即使在35天后仍保持稳定。这项研究在可持续的、快速充电的DAIS的开发方面取得了重大进展，为各行业的应用提供了巨大的潜力。

图1.膜的横截面（A1,A2-E1,E2）和顶表面（A3-A5-E3-E5）的SEM图像。

图2. 所研究膜的AFM总结（扫描面积10×10μm）。

图3.方程的拟合结果。

图4.冻结阶段和地表温度变化的动态。

图5. 所研究表面的WCA (T = 25◦C) (A)，以及回热时间（trec）与抗拉强度（σ） (B)、韧性模量Kf (C)冻结阶段持续时间（tfreeze -trec）和韧性模量Kf (D)冻结阶段持续时间（tfreeze -trec）和杨氏模量e之间的相关性。图中显示了液滴各自状态的图像。

总结与展望

综上所述，成功制备了膜蒸馏专用的平面结构聚四氟乙烯-共六氟丙烯-共偏偏偏氟乙烯（THV）基膜，并对其进行了系统表征。此外，通过将THV与生物聚合物添加剂（即壳聚糖）进行简单的物理混合来修饰膜。考虑到THV相关研究资料的缺乏和本研究的基本特点，分别对原始壳聚糖和功能化疏水壳聚糖进行了改性。调整了膜形成的实验方案，以生成高度稳定和有效的膜蒸馏专用材料。采用NIPS和VIPS两种方法，但只有通过VIPS技术制备的膜具有满意的参数。此外，通过实施VIPS方法，可以调整材料的粗糙度，疏水性和形貌。与原始THV样品相比，所有改性材料都具有升级的特征。在最低和最高驱动力下，THV + CSLMm膜的水渗透通量从原始膜的8.40±0.50 kg m−2 h−1提高到15.84±0.84 kg m−2 h−1和38.42±0.93 kg m−2 h−1。在不发生壳聚糖泄漏的情况下，材料在长时间（60 h）内的稳定性。考虑到抗冰性能，所有材料的凝固机理都是相同的，并且可以用动态生长角模型很好地描述。结冰过程的动力学取决于膜的修饰。在拉伸强度σ和韧性Kf值之间发现了新的相关关系。在THV中加入壳聚糖，可以延长THV的回光时间和抗结冰性能。冻结期持续时间缩短。LEP值与复光时间呈线性相关。然而，这种相关性的普遍性还有待更深入的研究。结果清楚地表明，为了增加冻结阶段的持续时间，应该引入降低而不是增加韧性Kf的添加剂。这将是未来研究的主题，并将结果报告。指出，通过适当选择聚合物基体和填料/添加剂，甚至通过简单的物理改性来增强原始材料的特性，可以生成高度稳定的材料。这种材料可以有效地用作防冰罩，特别是在冻结气氛中的短接触（到再发光阶段）。从膜科学的应用来看，所生成的材料可用于去除MD工艺中的VOCs（低临界液体表面张力值低至19 mN m−1）。此外，在致密材料的情况下，它们可用于热蒸发或气体分离（由于高胺部分，这些材料可用于CO2捕获）。

原文链接：https://doi. org/10.1016/j.desal.2023.117227

相应的成果以“Toward effective fluorinated terpolymer-based materials for desalination with superior mechanical, chemical and anti-icing features”为题发表在 Desalination上，文章的通讯作者托伦哥白尼大学碳材料物理化学研究组化学系Artur P. Terzyk教授。

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图文来源：殷  亮

责任编辑：贾洋洋

审核：何强、许渊

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