聚苯并噁嗪基超疏水超亲油表面的仿生构筑、构效关系及双重自清洁机制研究

The growing quantities of oil-water mixture are posing environmental threats on ecosystem and human health. Biomimetic superhydrophobic and superoleophilic surface is efficient for oil-water separation, while it suffers fouling during separation since the surface is originally superoleophilic. The membrane fouling can cause severe flux decline and affect the quality of the products. Thus, extensive interest has been aroused in developing oil-water separation materials with self-cleaning performance. Herein, we propose to fabricate a superhydrophobic and superoleophilic surface based on polybenzoxazine (PBZ) and micro-/nanoparticles, which has photo-induced and biomimetic self-cleaning performance. Effects of benzoxazine molecular structure and the amount of micro-/nanoparticles on surface wettability of as-prepared surfaces will be investigated at molecular level, and the structure-surface property relationship will be simulated and computed, providing theoretical direction for PBZ-based biomimetic surfaces in future. Additionally, the dual self-cleaning mechanism of polybenzoxazine/inorganic particles-based surface will be studied, obtaining a reproducible biomimetic superhydrophobic and superoleophilic surface for oil-water separation.

油污水对生态环境、人类健康带来各项危害。基于仿生超疏水超亲油特性可以有效的分离油水混合物，但材料亲油特性不可避免的带来了严重的膜污染问题，极大程度上降低了分离通量和效率。因此，寻求简单有效的方法来构筑具有自清洁作用的油水分离材料，以实现油污水的有效分离十分必要。本项目拟以聚苯并噁嗪作为低表面能材料，结合添加微米/纳米无机粒子的方法来构建表面粗糙结构，并以此共混物来修饰多种过滤材料来构筑仿生超疏水超亲油表面。从分子层面探索所构筑的仿生超疏水超亲油表面的表面润湿特性与苯并噁嗪分子内相互作用力之间的潜在联系，并对构效关系进行模拟计算研究，为聚苯并噁嗪基仿生表面的构筑提供理论指导。同时，探究树脂与光敏无机物形成的复合物的双重自清洁机制，最终实现油水分离材料的可再生利用。

工业生产及日常生活所产生的含油废水造成了严重的环境污染和资源浪费，开发高效油水分离技术迫在眉睫。超疏水材料作为一种新型油水分离媒介，具有“分离效率高和能耗低”等优点，备受学术界和工业界关注，但面临诸多不足：(1) 低表面能物合成原料的环保性问题；(2) 表面超疏水化工艺繁琐且精细；(3) 表面粗糙结构对物理磨损和化学腐蚀等环境因素的耐候性不强；(4) 材料使用过程中的膜污染问题。基于此，本项目选择具有本征低表面能、灵活分子设计性及优异热稳定性和化学耐受性的聚苯并噁嗪体系，以简单纳米复合的方法构建超疏水表面，并探索了其在油水分离及防腐蚀领域的应用效果。.本项目设计了包括单官能和生物基的苯并噁嗪单体十余种，深入研究了苯并噁嗪的热固化过程，通过对具有规律性结构苯并噁嗪聚合物膜层表面性能的表征，获得了表面自由能可低至14.6 mJ/m2的高性能疏水表面，从分子层面解释苯并噁嗪分子结构与所构筑的仿生表面的表面疏水性能之间的关系，结合氢键转变理论，提出了相应的聚苯并噁嗪基仿生表面的表面润湿性能调控机理。通过复合苯并噁嗪和纳米粒子快速构筑聚苯并噁嗪基仿生超疏水表面，优选体系静态水接触角最大为167±2°，滚动角最小为5°，研究了其微纳结构对仿生表面形貌的影响规律，为聚苯并噁嗪基仿生超疏水表面的工业化构筑提供理论依据。通过简单方法使用聚苯并噁嗪/无机粒子快速修饰商业过滤基材，得到具有优良超疏水超亲油特性的表面，可实现模拟油品通量达40000-50000 L/m2·h的快速分离，提高了已有研究中报道过的油水分离材料的过滤效率和抗污能力。最终通过合理的复合体系的设计和选择改善或解决现有油水过滤材料的污染问题，同时扩展了此类材料在金属腐蚀防护领域的应用。.项目执行期间，共发表相关论文9篇（通讯作者6篇），其中SCI收录论文8篇；申请发明专利3项，授权发明专利3项；荣获2019年度上海市自然科学二等奖；培养博士毕业生2名，在读博士研究生1名；培养硕士毕业生6名，在读硕士研究生4名，超额完成预期目标。