中科院新疆理化所马鹏程研究员团队在功能型棉纱织物研究取得一系列重要进展
棉花是世界上最丰富的生物材料之一，也是新疆最主要的经济作物。棉花经过加工制成的棉纱织物具有吸湿性好、透气性佳、柔软保暖等优点，广泛用于纺织、卫生等领域。但棉纤维本身具有的吸水性、耐环境因素（如微生物、阳光等）欠佳等不足限制了材料的高端应用。棉纱织物的应用目前多限于服装、纺织品等领域，织物产品的附价值较低。通过对织物的改性处理，有望赋予棉纱织物更多的功能型、提升材料的附加值。
近期中科院新疆理化所环境科学与技术研究室马鹏程研究员领衔的高分子复合材料团队在功能型棉纱织物研究领域取得了一系列重要进展。研究人员以商业棉布为原料，通过简单的辊压法在棉布表面涂覆了一层高分子共聚物，使得棉布材料对酸碱度和温度具有双重响应性(Composites Communications, 2017, 4, 10) ：当pH 值在4.0~8.0时，随着pH值的增大，水溶液通过棉布的流通量减小；当pH 值大于8.0时, 随着pH值的增加，溶液通过棉布的流通量增大。
研究人员对上述过程进行了详细的研究，发现溶液中离子强度可使涂覆在棉纤维表面的共聚物颗粒粒径发生变化，从而使棉布对水分子具有“化学开关”效应（不同pH值下水流通量变化显著）。响应性棉布具有水下超疏油性能，对辛烷、花生油和原油等油滴的水下接触角均大于160°；在室温下以响应性棉布为滤膜，水的流通量为0.027 mL/cm2•s，而在油田采出液温度条件下（50℃）水的流通量为0.40 mL/cm2•s。以响应性棉布为膜材料，通过过滤法可直接实现对原油-水混合物的高效、快速分离，混合物中油含量对分离过程中滤液的流通量影响不大（图1A），材料可用于油田采出液的油-水分离过程。
图1A：对酸碱度和温度具有双重响应性的棉纱织物可用于原油和水混合物的分离
在此研究基础上，科研人员对新疆本地产棉花纤维进行了深入研究，发现单根棉纤维表面具有一层蜡质结构，这使得单根纤维具有疏水效果，而加工成成品的棉纱织物由于具有丰富的孔结构和多级通道，水可以通过毛细管现象进行扩散，使得材料整体表现为亲水效果。研究人员通过精细调控单根棉纤维的表面形貌和官能团，实现了材料具有类似鱼皮的仿生结构，并赋予材料超亲水性能（Advanced Materials Interfaces, 2016, 3, 1600128）：芯吸实验结果表明水的平均芯吸速率在经线和纬线方向上均超过5 mm/min，远高于同样测试条件下未处理的棉纱织物（<0.5 mm/min，图1B），该结果也表明棉纱织物的透湿性得到显著改善。以超亲水棉纱织物加工而成的滤袋可用于油水混合物的选择性分离：水可以快速滤过而油类可以留在滤袋中，材料具有优异的抗油滴污染/堵塞性能和自清洁效应，可通过过滤法实现含分散油和乳化油的油水混合物的分离。
图1B：具有仿鱼皮结构的棉纱织物具有超亲水性能
针对棉纱织物抗菌性能差、紫外光下易降解等不足，研究人员通过喷涂法在棉纱织物表面引入高分子纳米复合材料（Composites Science and Technology, 2016, 122, 104），处理后的织物对大肠杆菌的抑菌率达到99%以上，与此同时还兼具有力学性能增强、疏水、亲油等多功能性质。棉纱织物对紫外线的阻隔率接近100%（图1C），紫外线防护系数超过40，满足纺织品防紫外线相关国家标准。相关机理研究表明棉纱织物所表现出的多功能性质源于纳米材料表面能、粗糙度和纳米颗粒具有的等离子体共振现象所形成的协同效应。
图1C：纳米复合材料的引入可以显著改善棉纱织物的抗紫外线性能
上述研究工作得到国家“千人计划”、中科院精细化学品产业化联盟等项目支持。部分材料已经实现批量生产，并在近期获得商业订单。材料有望在原油开采及加工、含油污水处理、抗菌材料、餐饮废弃物回收利用、天然产物萃取分离、室内空气净化等领域取得应用突破。
参考文献：
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.
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