基于KH550-SiO2-DTMS纳米复合颗粒的可切换润湿性涂层及其可控油水分离性能研究

本研究针对智能响应型油水分离材料的开发需求，通过溶胶-凝胶和浸涂法在棉织物上构建了新型pH响应超润湿涂层。该涂层融合低表面能DTMS与pH敏感KH550改性SiO2纳米颗粒，实现了超疏水（WCA>150°）与超亲水（20秒内WCA降至0°）的快速可逆转换，在多种盐溶液和超声清洗中保持稳定，对高/低密度油水混合物分离效率达98.5%/96%，且无需贵金属或复杂聚合工艺，为环保型智能分离材料提供了创新方案。

　　

随着工业含油废水和海上溢油污染问题的日益严重，开发高效、智能的油水分离技术已成为环境治理领域的重要课题。传统分离材料存在功能单一、响应迟缓、环境适应性差等局限，尤其是现有pH响应型材料普遍依赖贵金属（如Ag、Au、Cu）或复杂聚合工艺，不仅成本高昂，还可能造成二次污染。因此，构建一种快速响应、环境友好且具有优异稳定性的智能润湿转换涂层具有迫切需求。

在此背景下，西北大学化工学院的Chenyu Cai等研究人员在《Reactive and Functional Polymers》上发表论文，报道了一种基于KH550-SiO₂-DTMS纳米复合颗粒的可切换润湿性涂层。该研究通过简单的溶胶-凝胶和浸涂法在棉织物表面构建功能涂层，巧妙地将低表面能物质十二烷基三甲氧基硅烷(DTMS)与pH敏感性物质3-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)修饰的二氧化硅(SiO₂)纳米颗粒相结合，成功实现了pH调控的快速、可逆润湿性转换，为智能油水分离提供了创新性解决方案。

研究采用多项关键技术方法：通过溶胶-凝胶法制备KH550-SiO₂-DTMS纳米复合颗粒；利用浸涂技术在棉织物基底上构建功能涂层；采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析化学结构；通过扫描电子显微镜(SEM)观察表面形态；运用热重分析(TGA)评估热稳定性；采用X射线光电子能谱(XPS)进行表面元素分析；通过水接触角(WCA)测量表征润湿性变化。

涂层的结构与形貌表征

FTIR光谱证实了KH550和DTMS的成功引入以及SiO₂纳米颗粒的形成。SEM图像显示涂层表面呈现微纳米分级结构，这种粗糙结构是实现超润湿性的关键。TGA表明涂层具有良好的热稳定性，XPS分析进一步验证了DTMS和KH550在涂层表面的存在。

pH响应润湿性转换性能

研究展示了涂层卓越的pH响应特性：在pH=7时呈现超疏水性（WCA>150°）；在pH=1的酸性条件下，20秒内WCA从50.24°迅速降至0°，转变为超亲水状态；当环境变为pH=13的碱性条件时，涂层又可逆地恢复至超疏水状态（WCA=163°）。这种转换速度显著优于现有pH响应系统。

环境稳定性与耐久性

涂层在NaCl、KCl、KNO₃等多种盐溶液中保持稳定，同时经受住了超声清洗的考验，证明其在复杂水环境中的适用性和耐久性。

油水分离性能

利用涂层的可逆润湿性切换特性，研究人员实现了对高密度油/水混合物98.5%和低密度油/水混合物96%的高分离效率，展现了实际应用的潜力。

研究结论表明，这种基于KH550-SiO₂-DTMS纳米复合颗粒的智能涂层成功解决了现有pH响应材料依赖贵金属、制备工艺复杂、响应速度慢等问题。其快速可逆的润湿性转换、优异的环境稳定性、简单的制备方法和低成本特性，使其在油水分离领域具有重要的应用价值。该研究不仅为开发环境友好型智能分离材料提供了新思路，也为应对工业废水处理和海洋溢油污染等环境挑战提供了有前景的技术方案。