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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濟作物。棉花經過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，廣泛用于紡織、衛(wèi)生等領域。但棉纖維本身具有的吸水性、耐環(huán)境因素（如微生物、陽光等）欠佳等不足限制了材料的高端應用。棉紗織物的應用目前多限于服裝、紡織品等領域，織物產品的附價值較低。通過對織物的改性處理，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)境科學與技術研究室馬鵬程研究員領銜的高分子復合材料團隊在功能型棉紗織物研究領域取得了一系列重要進展。研究人員以商業(yè)棉布為原料，通過簡單的輥壓法在棉布表面涂覆了一層高分子共聚物，使得棉布材料對酸堿度和溫度具有雙重響應性(Composites Communications, 2017, 4, 10) ：當pH 值在4.0~8.0時，隨著pH值的增大，水溶液通過棉布的流通量減小；當pH 值大于8.0時, 隨著pH值的增加，溶液通過棉布的流通量增大。

  研究人員對上述過程進行了詳細的研究，發(fā)現溶液中離子強度可使涂覆在棉纖維表面的共聚物顆粒粒徑發(fā)生變化，從而使棉布對水分子具有“化學開關”效應（不同pH值下水流通量變化顯著）。響應性棉布具有水下超疏油性能，對辛烷、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。以響應性棉布為膜材料，通過過濾法可直接實現對原油-水混合物的高效、快速分離，混合物中油含量對分離過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-水分離過程。

圖1A：對酸堿度和溫度具有雙重響應性的棉紗織物可用于原油和水混合物的分離

  在此研究基礎上，科研人員對新疆本地產棉花纖維進行了深入研究，發(fā)現單根棉纖維表面具有一層蠟質結構，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構和多級通道，水可以通過毛細管現象進行擴散，使得材料整體表現為親水效果。研究人員通過精細調控單根棉纖維的表面形貌和官能團，實現了材料具有類似魚皮的仿生結構，并賦予材料超親水性能（Advanced Materials Interfaces, 2016, 3, 1600128）：芯吸實驗結果表明水的平均芯吸速率在經線和緯線方向上均超過5 mm/min，遠高于同樣測試條件下未處理的棉紗織物（<0.5 mm/min，圖1B），該結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：水可以快速濾過而油類可以留在濾袋中，材料具有優(yōu)異的抗油滴污染/堵塞性能和自清潔效應，可通過過濾法實現含分散油和乳化油的油水混合物的分離。

圖1B：具有仿魚皮結構的棉紗織物具有超親水性能

  針對棉紗織物抗菌性能差、紫外光下易降解等不足，研究人員通過噴涂法在棉紗織物表面引入高分子納米復合材料（Composites Science and Technology, 2016, 122, 104），處理后的織物對大腸桿菌的抑菌率達到99%以上，與此同時還兼具有力學性能增強、疏水、親油等多功能性質。棉紗織物對紫外線的阻隔率接近100%（圖1C），紫外線防護系數超過40，滿足紡織品防紫外線相關國家標準。相關機理研究表明棉紗織物所表現出的多功能性質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象所形成的協(xié)同效應。

圖1C：納米復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家“千人計劃”、中科院精細化學品產業(yè)化聯(lián)盟等項目支持。部分材料已經實現批量生產，并在近期獲得商業(yè)訂單。材料有望在原油開采及加工、含油污水處理、抗菌材料、餐飲廢棄物回收利用、天然產物萃取分離、室內空氣凈化等領域取得應用突破。

參考文獻：

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.