浙江理工大学刘向东教授CEJ：表面工程设计长效抗菌 Janus 棉织物，具有卓越的吸湿排汗性能！

棉织物虽然具有良好的吸湿性能，但其排汗性能较差，当人体汗液分泌过多时，若织物不能迅速将汗液导向织物外表面并挥发到空气中,就会使人体产生黏湿或闷热感，导致穿着不舒适，甚至促进细菌繁殖。基于此，浙江理工大学刘向东教授、向双飞特聘副教授和浙江大学刁宏燕教授合作，提出表面工程设计策略，利用表面接枝技术和单侧雾聚合技术，在棉织物表面构筑Janus结构，制备得到具有长效抗菌和卓越的湿、热管理性能的Janus棉织物。

在棉织物表面构建长效、稳定的Janus结构，一直是领域的技术难点。作者首先利用甲基丙烯酸（MA），与棉纤维发生酯化反应，在棉织物表面构建不饱和双键；第二步，作者设计了一种新型两亲性季铵盐抗菌剂（甲基丙烯酰氧乙基十二烷基二甲基溴化铵，DMDB），通过共价接枝的方式，在棉织物上构建了两亲性的抗菌涂层。两亲性PDMDB具有可调亲疏水性，可通过水洗，将表面调至亲水性，二氯甲烷（C 2H 2Cl 2）洗涤，调至疏水。这为棉织物的疏水改性创造了可能。第三步，在二氯甲烷洗涤后的改性棉织物表面进行单侧雾聚合PVDF，经水洗后，获得Janus棉织物。改性后的棉织物具有持久、耐磨和耐水洗的抗菌性。Janus棉织物对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率大于 99.9%。即使经过 150 次洗涤，杀菌率仍保持在99%以上。此外，得益于精心的表面结构设计，Janus 棉织物实现了卓越的定向液体输送性能。作者在真实的环境下，评价了Janus棉织物的水分蒸发率。研究表明Janus棉织物的水分蒸发率是初始棉织物的 1.3-1.5 倍，可保持体温比周围环境低5.63°C。相关论文以“Surface engineered long-lasting antibacterial Janus cotton fabrics with excellent moisture/thermal management properties”为题，发表在 Chemical Engineering Journal上。

图1. Janus棉织物的制备工艺：(a)原始棉织物；(b) MA功能化棉织物(CF-MA织物)；(c)棉织物接枝PDMDB (CF-MA-MN织物)；(d) Janus棉织物；(e) Janus棉织物的可逆亲疏水表面可以通过使用一种选定的溶剂，例如水或CH2Cl2来调节；红色面料为亲水模式，蓝色面料为疏水模式；(f)洗涤法调谐Janus棉织物的方案；(g)双面双面亲疏水织物表面可调为亲水性，实现吸湿排汗功能。

图2. 原始棉织物(a)和CF-MA-MN@3织物(b)的宽范围XPS谱图：原始棉织物和CF-MA-MN@3织物的N 1s XPS谱图(c)；原始棉织物和CF-MA-MN@3织物的Br 3d XPS谱图(d)；原始棉织物(e)和CF-MA-MN@3织物的c 1s谱图(f)。

图3. 原始棉织物(a、d)、改性棉织物JC-A (b、e)和JC-W(c、f)的SEM图像；原始棉织物(g、j)、改性棉织物JC-A (h、k)和JC-W(i、l)的N、f元素分布图。

图4. 可切换的亲疏水性质CF-MA-MN@3：(a-e) CF-MA-MN@3上不同液滴(a:水，b:墨水，c:茶，d:咖啡，e:牛奶)浸渍二氯甲烷(主图)和去离子水处理(插图)的光学图片；(f)原始棉织物与经去离子水(红色)和二氯甲烷(蓝色)处理的CF-MA-MN的水接触角；(g) CF-MA-MN@3的水接触角用二氯甲烷和去离子水交替洗涤。

图5. Janus棉织物对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌抗菌活性的光学图像和统计结果：(a, b)原始棉织物和CF-MA-MN的光学图像；(c)不同PDMDB含量CF-MA-MN的抑菌活性；CF-MA-MN在洗涤(d)、磨损(e)和胶带剥离(f)后的抗菌活性。

图6. 水滴渗入织物表面的侧视图：双面棉织物亲水性(a)和疏水性(b)面分别朝上；Janus棉织物疏水表面(c)和亲水表面(f)水滴接触角的变化，单向输水原理图及光学图像；Janus棉织物的疏水(d)面和亲水(e)面分别朝上；原始棉织物、JC-A和JC-W在去离子水(g)和生理盐水(h)模拟环境下的蒸发速率。

图7.原始棉布，JC-W，JC-A三者的水蒸发率，使用去离子水作为测试液来测试在阳光明媚(40°C±2°C, 40%±5% RH) (d)，阴(27°C±2°C, 59%±5% RH) (e)和多雨(29°C±2°C, 86%±5% RH) (f)天，生理盐水作为测试液体在阳光明媚(36°C±2°C, 34%±5% RH) (g),阴(31°C±2°C, 75%±5% RH) (h)和多雨天(28°C±2°C, 84%±5% RH) (i)。

图8. Janus棉织物的实际应用：(a)原始棉布、JC-A、JC-W在湿皮肤上的红外成像及快干性能比较；(b)原始棉布、JC-A和JC-W的吸湿排汗性能；(c)本作品与文献中其他抗菌面料在抗菌耐久性方面的比较。(d)织物与文献中其他织物在冷却能力方面的比较。

小结：作者提出了一种表面工程策略(结合“接枝”和“雾聚合”方法)来构建Janus棉织物。设计了一种共价接枝的抗菌剂DMDB，它不仅具有持久的耐磨损和耐洗涤的抗菌性能，而且还为单侧亲疏水改性和Janus结构的构建提供了可能。对亲水性棉纤维表面进行疏水改性是一个长期的挑战。利用PDMDB的两亲性，可以将PDMDB层调至疏水性，通过雾聚法制备单侧疏水性PVDF改性棉织物。然后水洗，将PDMDB层调至亲水性，PVDF层保持疏水性，形成Janus棉织物。汗水可以从Janus棉织物的疏水侧单向输送到亲水侧，保证穿着的舒适性。总的来说，获得的Janus棉织物兼具出色的抗菌、防潮和热管理性能。

参考文献：

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全文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.146386

来源：高分子科学前沿

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