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研究背景

作為一項重大的全球性挑戰(zhàn)，化學表面活性劑在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中的使用日益增加，不斷挑戰(zhàn)著生態(tài)可持續(xù)發(fā)展。在眾多形式的表面活性劑中，家庭護理洗滌劑(例如，洗衣和廚具洗滌劑)占全球表面活性劑市場的40%以上。在過去的二十年里，中國合成洗滌劑的產(chǎn)量以每年36萬噸的速度增長，從2001年的348萬噸增加到2021年的1077萬噸。因此，洗滌劑的使用日益增加，使得處理含有表面活性劑的廢水成為越來越大的負擔。例如，2017年的廢水處理消耗了美國約4%的電力。據(jù)進一步估計，在未來15年內(nèi)，發(fā)達國家廢水處理所需的電力將增加20%，從而大大增加二氧化碳排放和能源消耗。

成果簡介

在洗衣過程中過量使用合成洗滌劑是造成環(huán)境污染的一個重要來源。因此，可持續(xù)發(fā)展驅(qū)動的創(chuàng)新正受到越來越多的關(guān)注，以實現(xiàn)以允許最大限度地減少洗滌劑消耗為特征的環(huán)保紡織品。近日，陜西師范大學化學與化工學院楊鵬教授課題組提出了一種隨意涂布(CAW)策略，在紡織織物上創(chuàng)建一層額外的涂層，以引入抗污性。包覆層是基于溶菌酶(Lyz)和兩性離子聚(甲基丙烯酸亞砜甜菜堿)(pSBMA)的共軛聚合物，一旦暴露在織物上，就會在表面形成堅固的納米膜。值得注意的是，該親水層表現(xiàn)出優(yōu)異的水下超疏油性，涂層織物無需洗滌劑即可簡單用水清洗。根據(jù)一項生命周期分析，這種聚合物納米膜具有光學透明和生物相容性，不會影響衣物的舒適性，與洗滌劑相比，碳足跡減少了50%以上。

此外，這項CAW策略可以應(yīng)用于各種材料的表面，包括金屬、玻璃、塑料和陶瓷，為清潔產(chǎn)品帶來的環(huán)境風險提供了一個通用的解決方案，該策略具有高性價比和低用量，因此具有極大的商業(yè)潛力，有望針對目前主流織物洗滌清潔方案產(chǎn)生變革性推動作用，從而極大推動社會、經(jīng)濟和環(huán)境的綠色可持續(xù)發(fā)展。這項工作以“Sustainable polymer coating for stainproof fabrics”為題發(fā)表在國際頂級期刊《Nature Sustainability》上。祝賀！

楊鵬，中國化學會高級會員，英國皇家化學會會士（Fellow of the Royal Society of Chemistry (FRSC))，教授，博士生導(dǎo)師，國家級人才計劃—科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才（2019），國家杰出青年基金獲得者（2022）。據(jù)陜西師范大學官網(wǎng)報道，化學化工學院楊鵬教授的“生物大分子可控聚集與界面粘附”項目獲得國家杰出青年科學基金資助，實現(xiàn)了學校自主培養(yǎng)的國家杰出青年科學基金項目的歷史性突破。

圖文導(dǎo)讀

圖1 PTL-pSBMA納米膜的合成及其與底物的快速粘附

圖2 PTL-pSBMA納米膜的防污性能

作者提出了一種隨意涂覆(CAW)策略，賦予任何表面在整個生命周期中都能保持的水下超疏油性。這一策略是，任何目標表面都可以通過采用防污親水性生物聚合物的快速一步水涂層來獲得水下抗油染色性能。與普通的以洗滌劑為基礎(chǔ)的洗滌方案相比，本發(fā)明的涂層方法避免了洗滌過程中洗滌劑的使用，提高了織物的清洗效率。作者發(fā)現(xiàn)，水和能源的使用可以減少至少40~50%，碳排放量減少50%以上，至少200次涂層再生。由于其高成本效益(1,620美元每噸衣服)和低推薦用量(0.9 g 每千克衣服)，該方法具有巨大的商業(yè)潛力，可以改變目前主流的以洗滌劑為基礎(chǔ)的織物洗滌方案。這一策略可能為開發(fā)一系列基于caw的涂層設(shè)計鋪平道路，這些設(shè)計可以為清潔產(chǎn)品帶來的環(huán)境風險提供低碳足跡的可持續(xù)解決方案。

對于制備方法，作者通過“接枝”策略，首先合成聚甲基丙烯酸亞砜甜菜堿(pSBMA)，然后將溶菌酶和pSBMA偶聯(lián)(Lyz-pSBMA)制備蛋白質(zhì)-聚合物偶聯(lián)物。通常，在用三(2-羧基乙基)膦(TCEP)還原Lyz-pSBMA分子內(nèi)二硫鍵后，Lyz-pSBMA相應(yīng)的淀粉樣聚集物在各種底物上迅速形成穩(wěn)定的二維相變Lyz-pSBMA納米膜(PTL-pSBMA)(圖1a)。在這個聚合過程中，在PTL-pSBMA的圓二色(CD) (216 nm)和傅里葉變換紅外(FTIR) (1625 cm^?1)光譜中，β片結(jié)構(gòu)的信號增強反映了蛋白質(zhì)從α-螺旋到β片的構(gòu)象轉(zhuǎn)變(圖1b)。苯胺-1- 萘磺酸(ANS)(圖1c)和硫黃素T (ThT)染色監(jiān)測的時間分辨生長顯示了由疏水殘基驅(qū)動的快速淀粉樣蛋白聚集暴露和隨后的疏水性誘導(dǎo)聚集。在此過程中，通過N-(1-芘基)馬來酰亞胺(NPM)染色顯示了TCEP誘導(dǎo)的二硫鍵還原對Lyz-pSBMA中游離巰基的暴露。

圖3 PTL-pSBMA對織物表面改性的研究

圖4 PTL-pSBMA改性織物的耐污性能

圖5 CAW概念，使PTL-pSBMA再生再利用

圖6 PTL-pSBMA的生命周期評估(LCA)

PTL-pSBMA的堅固性和通用粘接能力突出了其在功能化織物和智能紡織品開發(fā)中的重要價值。到目前為止，很少有通用的方法能夠在不改變織物原有性能的情況下使織物表面功能化，如織物的光學外觀、生物相容性和透氣性。在這種情況下，目前的工作為在各種主流織物上創(chuàng)建隱身涂層提供了一種通用策略(圖3a)。通過在相變中使用fitc標記的Lyz-pSBMA，在熒光顯微鏡下可以清晰地看到紡織品和基底表面上的PTL-pSBMA涂層(圖3b,c)。與傳統(tǒng)的通用涂層相比，PTL-pSBMA涂層具有光學透明特性，厚度為14 nm。基于透氣性和透濕性，這種薄薄的蛋白質(zhì)涂層不影響服裝的穿著舒適性(圖3d,e)。引入了親水性兩性離子pSBMA聚合物后，隨后的WCA測試表明，改性織物的親水性有了很大的提高。結(jié)果，水性墨滴完全分布在PTL-pSBMA涂層的真絲表面，而原始真絲表面保持較差的潤濕性(圖3f,g)。PTL-pSBMA的高親水性在改性織物表面提供了表面水化層，通過防止油滴接近織物表面來支持良好的水下拒油性。此外，有機溶劑和食用油在一系列典型織物表面上的接觸角>150°(圖3h,i)。PTL-pSBMA具有較強的水下超疏油性能;摻入不同濃度的外部分子(如抗菌的ε-聚賴氨酸)后，其變化不大。

此外，由于甜菜堿衍生物的蛋白性質(zhì)和生物相容性，作者對PTL-pSBMA進行了許多生物安全性和毒性實驗，如HT22和L929體外細胞毒性實驗、PTL-pSBMA包被繃帶的溶血實驗、小鼠體內(nèi)注射后對各內(nèi)臟的毒性實驗、小鼠皮膚刺激試驗。以上實驗結(jié)果表明，PTL-pSBMA對小鼠皮膚、神經(jīng)細胞以及魚類和植物生長的毒性均無影響，為PTL-pSBMA具有良好的生物安全性提供了堅實的基礎(chǔ)。為了獲得優(yōu)異的生物安全性，進一步探索了可持續(xù)擴大應(yīng)用的一系列要求。從材料成本和環(huán)境影響的角度來看，PTL-pSBMA洗滌1公斤衣服的成本約為1.62美元，與植物酶和天然植物提取物洗滌劑的成本相似。此外，作者進行了一個完整的LCA分析(圖6a)，包括環(huán)境因素，以評估材料的整體可持續(xù)性和安全性。與傳統(tǒng)的DWL和LP處理相比，PTL-pSBMA的利用可以減少50%的用水量和40%的用電量。

總結(jié)與展望

綜上所述，作者開發(fā)了一種CAW策略，用于設(shè)計不再需要洗衣洗滌劑的耐污織物，從而最大限度地減少洗滌劑污染。這種策略的特點是操縱溶菌酶- pSBMA的淀粉樣聚集，這是一種蛋白質(zhì)-兩性離子聚合物共軛物。所得到的PTL-pSBMA賦予被涂物質(zhì)的表面高親水性，從而具有優(yōu)異的水下超疏油性。在織物上應(yīng)用親水性聚合物涂層可自動去除油漬，無需添加洗滌劑即可輕松實現(xiàn)水致去除油漬。這種方法的清潔效率與傳統(tǒng)的以洗滌劑為基礎(chǔ)的清潔相當，甚至更好。CAW策略甚至可以在任何時候通過簡單地重新涂覆PTL-pSBMA來再生PTL-pSBMA注入的表面。通過這種方式，由PTL-pSBMA涂層支持的涂層清潔模式可以在織物上保持幾乎無限的時間。

此外，使用PTL-pSBMA系統(tǒng)，水和能源消耗可減少40-50%，碳足跡減少了50%以上。此外，除了其成本效益，還具有低洗滌劑量、良好的光學透明度(~100%)，良好的生物相容性和優(yōu)異的抗生物污染性能。CAW策略允許家庭和工業(yè)無洗滌劑清潔，具有出色的清潔效率和生態(tài)安全，為可持續(xù)發(fā)展的未來做出貢獻。

文獻信息

Sustainable polymer coating for stainproof fabrics. (Nat. Sustain. 2023, DOI: 10.1038/s41893-023-01121-9)

https://doi.org/10.1038/s41893-023-01121-9

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