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東南大學張友法教授：一種用于油煙高效預過濾的油下超親水泡沫金屬
2024-10-22  來源：高分子科技

  油煙（Lampblack）是日常烹飪過程中產(chǎn)生的一種復雜混合物，主要由小液滴、氣體和固體顆粒組成，過量吸入會對肺部及心腦血管系統(tǒng)造成嚴重損傷。抽油煙機可以減輕與油煙排放有關(guān)的危害，其處理油煙包括三個階段：預過濾、離心分離和靜電降解。在預過濾階段，油煙機內(nèi)的泡沫金屬格柵會攔截大部分的油和水滴，但隨著油滴的積累污染，金屬格柵需要頻繁地清洗以保持過濾效果，這浪費了大量的人力和財力。因此，開發(fā)一種經(jīng)濟耐用的涂層技術(shù)來提高預過濾金屬格柵的自清潔性是十分必要且迫切的。


  近年來，科學家們一直在嘗試用超雙疏涂層技術(shù)解決這一問題，通過排斥油滴在油煙機器件表面的直接粘附，延長其清洗周期。然而，盡管有許多關(guān)于先進超雙疏涂層的報道，但針對油煙預過濾領(lǐng)域，這種策略仍然存在成本高昂、耐久性嚴重不足、表觀性差等突出問題。超親水表面在水下同樣表現(xiàn)出疏油特性，因此困在泡沫格柵中的油污可僅在水洗條件下實現(xiàn)快速脫附，且超親水涂層易于實現(xiàn)成本性、工藝性和表觀性的兼顧。然而，目前針對油煙預過濾領(lǐng)域開發(fā)超親水涂層還未有相關(guān)研究進展。


  基于此，東南大學張友法教授團隊采用交聯(lián)強化策略，優(yōu)選小粒徑（7-40nm）納米二氧化硅顆粒作為涂層填料，構(gòu)建了納米級粗糙度的油下超親水涂層，利用聚硅酸鋰（LSH）在200℃下與納米二氧化硅顆粒進行脫水交聯(lián)生成網(wǎng)絡(luò)狀硅氧硅（Si-O-Si）結(jié)構(gòu)，顯著增強了超親水涂層基體的力學性能，在保證優(yōu)異去油能力的同時實現(xiàn)了涂層耐用性的強化。相關(guān)成果以“Oil-resistant underoil superhydrophilic metallic foams for lampblack pre-filtration” 為題，發(fā)表于《ACS AMI》，東南大學博士生陳俊旭為第一作者，張友法為通訊作者。


Fig. 1 LSH油下超親水泡沫金屬過濾油煙示意圖


  LSH油下超親水泡沫金屬在油煙預過濾中的作用如上圖1所示。油煙中含有大量微小的油、水液滴，得益于改性后泡沫金屬的突出油下親水性，接觸到油煙后，水蒸氣和微小水滴迅速覆蓋泡沫金屬纖維形成水膜，阻礙油滴的黏附，先吸附的油滴也在與水的競爭吸附中被置換出來，因此不同于傳統(tǒng)未改性泡沫金屬的直接黏附，LSH油下超親水泡沫金屬在過濾油煙的過程中，油相一直處于動態(tài)脫附過程。這種方法不僅能夠延長泡沫金屬的單次使用壽命，還能夠使其僅在自來水的沖洗下實現(xiàn)性能再生，是一種效果顯著、低成本且可規(guī)模化的改性策略。


Fig. 2 LSH油下超親水涂層的設(shè)計與泡沫金屬改性前后的潤濕性對比


  LSH油下超親水涂層可用簡單的浸涂方法進行改性，其設(shè)計原理和基本潤濕性能如圖2a-c所示。作者主要利用聚硅酸鋰LSH在200℃下的短時高溫脫水縮合反應即高溫固化，構(gòu)建了致密均勻的硅氧硅共價網(wǎng)絡(luò)，增強了涂層的耐用性；硅氧硅網(wǎng)絡(luò)內(nèi)游離的磺酸基親水助劑和流平劑則強化了涂層的親水性。與未處理的泡沫金屬進行對比，LSH改性的泡沫金屬展現(xiàn)了顯著的粘稠油脫附能力及油下親水性，而未改性泡沫金屬既無油脫附能力也無油下親水性。


Fig. 3 LSH涂層改性的泡沫金屬格柵與原始格柵的油煙預過濾性能對比


  如圖3所示，得益于LSH涂層優(yōu)異的油下超親水性和耐用性，LSH涂層改性泡沫金屬展現(xiàn)了更好的脫油效果與使用壽命。圖3b-c展示了在經(jīng)過17天的實際烹飪測試后，原始格柵的表面呈黃棕色，質(zhì)量增加了15.7%，而LSH涂層改性樣品顯示出更淺的顏色，質(zhì)量增加僅為6.4%。簡單水沖洗后，前者內(nèi)部孔隙仍然被油脂嚴重堵塞，且增重仍有7.8%，后者內(nèi)部孔洞觀察不到明顯的油污殘留，增重也下降至3.3%。


  小結(jié)：綜上所述，采用聚硅酸鋰（LSH）與納米二氧化硅顆粒進行交聯(lián)強化是一種極具應用前景的涂層強化技術(shù)。本研究開發(fā)了一種新型的LSH涂層，采用簡單的浸涂法，并在200°C下加熱5分鐘。該涂層表現(xiàn)出優(yōu)異的油下超親水性（UO-WCA = 3.4°），能夠通過水沖洗有效去除油滴。LSH涂層即使經(jīng)過900次摩擦循環(huán)（500克負載）和在50°C的肥皂水中浸泡48小時后，仍能保持超親水性（WCA = 8.9°）。此外，經(jīng)過LSH涂層處理的金屬泡沫在噴油測試、油浸泡測試和實際烹飪測試中均表現(xiàn)出了顯著較低的增重，其表面也保持了銀灰色金屬光澤，沒有明顯的油污粘附，說明該策略在提高油煙預過濾效率和延長預過濾泡沫金屬格柵使用壽命等方面具有巨大應用潛力。


  原文鏈接：

  Chen, J.; Deng, W.; Wang, W.; Liu, J.; Zhang, M.; Liu, X.; Hu, Y.; Zhang, P; Yu, X.；Zhang,Y.

Oil-Resistant Underoil Superhydrophilic Metallic Foams for Lampblack Prefiltration. ACS Appl. Mater. Interfaces 2024.  DOI: 10.1021/acsami.4c13153

  https://doi.org/10.1021/acsami.4c13153

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（責任編輯：xu）
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