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  棉花是世界上最豐富的生物材料之一，也是新疆最主要的經(jīng)濟(jì)作物。棉花經(jīng)過(guò)加工制成的棉紗織物具有吸濕性好、透氣性佳、柔軟保暖等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于紡織、衛(wèi)生等領(lǐng)域。但棉纖維本身具有的吸水性、耐環(huán)境因素（如微生物、陽(yáng)光等）欠佳等不足限制了材料的高端應(yīng)用。棉紗織物的應(yīng)用目前多限于服裝、紡織品等領(lǐng)域，織物產(chǎn)品的附價(jià)值較低。通過(guò)對(duì)織物的改性處理，有望賦予棉紗織物更多的功能型、提升材料的附加值。

  近期中科院新疆理化所環(huán)境科學(xué)與技術(shù)研究室馬鵬程研究員領(lǐng)銜的高分子復(fù)合材料團(tuán)隊(duì)在功能型棉紗織物研究領(lǐng)域取得了一系列重要進(jìn)展。研究人員以商業(yè)棉布為原料，通過(guò)簡(jiǎn)單的輥壓法在棉布表面涂覆了一層高分子共聚物，使得棉布材料對(duì)酸堿度和溫度具有雙重響應(yīng)性(Composites Communications, 2017, 4, 10) ：當(dāng)pH 值在4.0~8.0時(shí)，隨著pH值的增大，水溶液通過(guò)棉布的流通量減小；當(dāng)pH 值大于8.0時(shí), 隨著pH值的增加，溶液通過(guò)棉布的流通量增大。

  研究人員對(duì)上述過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)的研究，發(fā)現(xiàn)溶液中離子強(qiáng)度可使涂覆在棉纖維表面的共聚物顆粒粒徑發(fā)生變化，從而使棉布對(duì)水分子具有“化學(xué)開(kāi)關(guān)”效應(yīng)（不同pH值下水流通量變化顯著）。響應(yīng)性棉布具有水下超疏油性能，對(duì)辛烷、花生油和原油等油滴的水下接觸角均大于160°；在室溫下以響應(yīng)性棉布為濾膜，水的流通量為0.027 mL/cm2?s，而在油田采出液溫度條件下（50℃）水的流通量為0.40 mL/cm2?s。以響應(yīng)性棉布為膜材料，通過(guò)過(guò)濾法可直接實(shí)現(xiàn)對(duì)原油-水混合物的高效、快速分離，混合物中油含量對(duì)分離過(guò)程中濾液的流通量影響不大（圖1A），材料可用于油田采出液的油-水分離過(guò)程。

圖1A：對(duì)酸堿度和溫度具有雙重響應(yīng)性的棉紗織物可用于原油和水混合物的分離

  在此研究基礎(chǔ)上，科研人員對(duì)新疆本地產(chǎn)棉花纖維進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)單根棉纖維表面具有一層蠟質(zhì)結(jié)構(gòu)，這使得單根纖維具有疏水效果，而加工成成品的棉紗織物由于具有豐富的孔結(jié)構(gòu)和多級(jí)通道，水可以通過(guò)毛細(xì)管現(xiàn)象進(jìn)行擴(kuò)散，使得材料整體表現(xiàn)為親水效果。研究人員通過(guò)精細(xì)調(diào)控單根棉纖維的表面形貌和官能團(tuán)，實(shí)現(xiàn)了材料具有類(lèi)似魚(yú)皮的仿生結(jié)構(gòu)，并賦予材料超親水性能（Advanced Materials Interfaces, 2016, 3, 1600128）：芯吸實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明水的平均芯吸速率在經(jīng)線和緯線方向上均超過(guò)5 mm/min，遠(yuǎn)高于同樣測(cè)試條件下未處理的棉紗織物（<0.5 mm/min，圖1B），該結(jié)果也表明棉紗織物的透濕性得到顯著改善。以超親水棉紗織物加工而成的濾袋可用于油水混合物的選擇性分離：水可以快速濾過(guò)而油類(lèi)可以留在濾袋中，材料具有優(yōu)異的抗油滴污染/堵塞性能和自清潔效應(yīng)，可通過(guò)過(guò)濾法實(shí)現(xiàn)含分散油和乳化油的油水混合物的分離。

圖1B：具有仿魚(yú)皮結(jié)構(gòu)的棉紗織物具有超親水性能

  針對(duì)棉紗織物抗菌性能差、紫外光下易降解等不足，研究人員通過(guò)噴涂法在棉紗織物表面引入高分子納米復(fù)合材料（Composites Science and Technology, 2016, 122, 104），處理后的織物對(duì)大腸桿菌的抑菌率達(dá)到99%以上，與此同時(shí)還兼具有力學(xué)性能增強(qiáng)、疏水、親油等多功能性質(zhì)。棉紗織物對(duì)紫外線的阻隔率接近100%（圖1C），紫外線防護(hù)系數(shù)超過(guò)40，滿(mǎn)足紡織品防紫外線相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。相關(guān)機(jī)理研究表明棉紗織物所表現(xiàn)出的多功能性質(zhì)源于納米材料表面能、粗糙度和納米顆粒具有的等離子體共振現(xiàn)象所形成的協(xié)同效應(yīng)。

圖1C：納米復(fù)合材料的引入可以顯著改善棉紗織物的抗紫外線性能

  上述研究工作得到國(guó)家“千人計(jì)劃”、中科院精細(xì)化學(xué)品產(chǎn)業(yè)化聯(lián)盟等項(xiàng)目支持。部分材料已經(jīng)實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，并在近期獲得商業(yè)訂單。材料有望在原油開(kāi)采及加工、含油污水處理、抗菌材料、餐飲廢棄物回收利用、天然產(chǎn)物萃取分離、室內(nèi)空氣凈化等領(lǐng)域取得應(yīng)用突破。

參考文獻(xiàn)：

1. Chen JT, Shen CH, Yang SD, Masud R, Ma PC*. Acid and temperature dual-responsive cotton fabrics with polymer coating. Composites Communications, 2017, 4, 10-15 .

2. Rana M, Chen JT, Yang S, Ma PC*. Biomimetic superoleophobicity of cotton fabrics for efficient oil-water separation. Advanced Materials Interfaces, 2016, 3, 1600128.

3. Rana M, Hao B, Mu L, Chen L, Ma PC*. Development of multi-functional cotton fabrics with Ag/AgBr-TiO2 nanocomposite coating. Composites Science and Technology, 2016, 122, 104-122.