通过ATRP原位表面粗糙化技术对棉纤维进行聚苯乙烯接枝改性，制备超疏水织物

《Polymer》：Polystyrene graft modification of cotton fibers by ATRP in situ surface roughening and superhydrophobic fabrics

利用2-溴异丁酰溴（BIBB）在棉纤维表面引入ATRP活性位点，通过苯乙烯聚合构建微纳粗糙结构，再经全氟聚醚羧酸（PFPE-COOH）化学改性，制备出接触角达155.2±3.5°的超疏水棉织物，经10次循环测试油水分离效率仍保持在98.6%以上。

　　本文探讨了一种通过原子转移自由基聚合（ATRP）技术在棉纤维表面构建粗糙结构，并进一步通过化学修饰实现超疏水性能的制备方法。研究首先利用2-溴异丁酰溴（BIBB）作为引发剂，对碱化棉织物进行处理，成功引入ATRP活性位点，从而制备出一种称为Cotton-Br的宏分子引发剂。随后，在PMDETA/CuBr体系下，该引发剂被用于引发苯乙烯的ATRP聚合反应，形成具有粗糙形态的微纳米涂层。通过对单体浓度、浴比以及接枝时间等参数的影响进行研究，实验成功获得了具有可控粗糙形态的棉纤维表面，并进一步实现了超疏水棉织物的制备。

实验结果表明，经过PFPE-COOH化学修饰后，棉织物的接触角从144.8 ± 3.6°提升至155.2 ± 3.5°，表现出显著的超疏水特性。这种超疏水性不仅提升了棉织物的表面性能，还赋予其优异的油水分离能力。经过10次循环测试后，该织物的油水分离效率仍能保持在98.6%以上，表明其具有良好的耐久性和实用性。此外，通过多种分析手段，包括能量色散光谱（EDS）、X射线光电子能谱（XPS）、扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和原子力显微镜（AFM）等，实验验证了接枝反应的成功性，并进一步揭示了PFPE-COOH在修饰过程中与C-Br的结合机制，以及其对表面性能的增强作用。

棉纤维作为一种天然材料，因其良好的舒适性、可再生性以及成本低廉而广泛应用于日常生活。然而，其天然的亲水特性也带来了一些问题，例如容易被水润湿，以及容易受到其他液体污染，甚至存在霉变和易燃等缺点。这些问题限制了棉纤维在某些特定领域的应用。为了解决这些局限性，研究人员采用多种功能性后处理技术对棉纤维进行改性，以改善其表面性能。研究表明，材料的化学组成与其表面微观结构共同影响其润湿性。因此，构建具有特定表面结构的材料成为提高其功能性的重要手段。

在众多方法中，化学接枝反应被认为是一种非常有潜力的策略，尤其在构建超疏水表面方面。相较于传统的表面引发电化学介导原子转移自由基聚合（SI-eATRP）方法，ATRP技术具有更简便的反应条件、更广泛的应用范围、更低的成本以及更易于工业化生产等优势。通过调控接枝反应的条件，可以实现对棉纤维表面粗糙形态的精确控制，从而进一步提升其表面性能。实验中，通过调整接枝反应的参数，成功获得了具有可控粗糙形态的棉纤维表面，并进一步通过PFPE-COOH的修饰，使织物表面具备了超低表面能，从而实现了超疏水性。

PFPE-COOH的分子量对最终的疏水性能也具有重要影响。实验发现，随着PFPE-COOH分子量的增加，棉织物的接触角显著提升，表明其疏水性得到了增强。这种增强作用主要归因于PFPE-COOH分子在织物表面的铺展能力以及其与纤维表面的结合强度。通过化学修饰，PFPE-COOH不仅能够改善棉织物的表面润湿性，还能够提升其油水分离性能。实验结果表明，经过PFPE-COOH修饰后的棉织物在油水分离测试中表现出优异的性能，其分离效率在10次循环测试后仍能保持在较高水平，这表明该修饰方法具有良好的稳定性。

除了化学修饰方法，研究还提到了其他一些用于构建超疏水表面的技术，例如简单的涂层方法（如静电纺丝、喷涂、溶胶-凝胶法）以及物理方法（如激光照射、等离子蚀刻等）。这些方法各有优劣，其中化学修饰方法虽然在某些情况下可能面临化学试剂对基材的潜在影响，但其可控性和可重复性使其在实际应用中更具优势。相比之下，等离子蚀刻虽然可以实现对表面的精细处理，但其处理深度通常不足，难以满足实际需求。而激光照射虽然能够快速形成超疏水表面，但其处理条件较为苛刻，限制了其大规模应用的可能性。

因此，本文提出了一种结合ATRP技术和PFPE-COOH化学修饰的新型方法，用于构建具有超疏水特性的棉纤维表面。该方法不仅能够实现对棉纤维表面粗糙形态的精确控制，还能够通过PFPE-COOH的修饰进一步提升其表面性能。通过调控接枝反应的条件，如单体浓度、浴比和接枝时间，可以有效优化最终的表面结构，从而提高棉织物的疏水性和油水分离性能。实验结果表明，该方法在实际应用中表现出良好的效果，为棉纤维的表面改性提供了新的思路和方向。

此外，本文还对材料的化学结构进行了详细分析。通过红外光谱（FT-IR）测试，可以观察到棉纤维在BIBB处理后，其表面化学结构发生了显著变化。例如，红外光谱显示，3350 cm?1处的峰对应于棉纤维表面羟基的伸缩振动，而2900 cm?1处的峰则对应于-C-H-基团的伸缩。这些变化表明，BIBB成功与棉纤维表面发生了反应，引入了新的化学基团，为后续的ATRP反应提供了必要的活性位点。进一步的XPS分析则揭示了表面化学组成的变化，表明棉纤维表面的元素分布和化学键类型得到了改变，从而为表面性能的提升奠定了基础。

在实际应用中，棉纤维的表面改性不仅需要考虑其化学结构的变化，还需要关注其表面形态的调控。通过扫描电子显微镜（SEM）和接触角测试（WCA），可以直观地观察到棉纤维表面的微观结构和润湿性变化。实验结果显示，经过ATRP接枝处理后的棉纤维表面呈现出明显的粗糙结构，这种结构有助于提高表面的疏水性。同时，通过PFPE-COOH的修饰，表面的疏水性进一步增强，接触角显著提高，表明其表面能降低，从而具备了超疏水特性。

本文的研究不仅为棉纤维的表面改性提供了新的方法，还为功能性纺织材料的开发提供了理论支持。通过结合ATRP技术和化学修饰方法，研究人员成功实现了对棉纤维表面的精确调控，使其具备了优异的疏水性和油水分离性能。这种性能的提升不仅有助于提高棉织物的使用价值，还可能拓展其在某些特殊领域的应用，如防水、防污、防霉等。此外，实验还表明，该方法在实际操作中具有较高的可行性，能够适应不同的工艺条件和生产需求。

在实际应用中，棉纤维的表面改性技术需要考虑多个因素，包括反应条件、材料选择以及修饰方法等。本文通过系统的实验设计和参数调控，成功优化了接枝反应的条件，使得最终的表面性能达到最佳状态。同时，实验还表明，通过调整不同的参数，如单体浓度、浴比和接枝时间，可以进一步提高棉纤维表面的粗糙度和疏水性，从而增强其功能性。这种调控能力使得该方法在实际应用中具有较高的灵活性和适应性。

此外，本文还对PFPE-COOH的分子量对最终疏水性能的影响进行了深入研究。实验发现，不同分子量的PFPE-COOH对棉织物的接触角具有显著影响，其中分子量较高的PFPE-COOH能够更有效地降低表面能，从而提高疏水性。这一发现为后续的材料设计和性能优化提供了重要的参考依据。同时，实验还表明，PFPE-COOH的修饰能够有效提升棉织物的油水分离性能，使其在实际应用中表现出良好的功能特性。

综上所述，本文提出了一种通过ATRP技术和PFPE-COOH化学修饰相结合的方法，用于构建具有超疏水特性的棉纤维表面。该方法不仅能够实现对棉纤维表面的精确调控，还能够通过化学修饰进一步提升其表面性能。实验结果表明，该方法在实际应用中具有良好的效果，能够满足不同的工艺需求和性能指标。通过系统的实验设计和参数优化，研究人员成功获得了具有可控粗糙形态的棉纤维表面，并进一步实现了超疏水性能的提升。这种性能的提升不仅有助于提高棉织物的使用价值，还可能拓展其在某些特殊领域的应用，如防水、防污、防霉等。此外，该方法在实际操作中具有较高的可行性，能够适应不同的工艺条件和生产需求，为功能性纺织材料的开发提供了新的思路和方向。