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    美國加州大學戴維斯分校孫剛教授課題組JMCA:超強吸附性纖維基設備“SAFE-Cotton”同步實現對氣態農藥的快速吸附、解毒和顏色傳感
    2020-11-16  來源:高分子科技

      烷基化類熏蒸劑作為一類劇毒且致癌的氣態農藥正被廣泛應用于農業生產、糧食存儲以及白蟻防治等諸多方面。針對有毒物質的吸收、解毒和檢測是提高專業和個人防護的主要措施。根據加州農藥管理局的統計,每年僅在加州范圍內,熏蒸劑的使用量可達2萬余噸。然而對于熏蒸劑而言,無論是對其的吸附解毒材料還是快速檢測方法都十分有限。近年來,具有超高比表面積和孔隙率的金屬有機框架(MOF),共價有機框架(COF)和多孔有機聚合物(POP)在氣體吸附,傳感和催化方面變現突出。但是上述材料大多都以粉末的形式存在,這無疑給他們的應用,特別是在可穿戴防護材料上的應用帶來了巨大的困難與限制。


      針對上述問題,博士后研究員唐佩馨博士將POP和棉織物結合設計出了針對烷基化類熏蒸劑快速吸收、原位解毒和顏色警示的超強吸附性纖維基設備“SAFE-Cotton”.研究人員利用三聚氰氯和三聚氰胺的縮合反應在棉纖維上原位聚合生成高度多孔的親核性有機聚合物 (Nu-POP)。Nu-POP在棉纖維表面的共價生長最大程度地保留了Nu-POP在粉末狀態下的物理特性,包括超高的孔隙率和比表面積(粉末狀態:598.2 m2/g;共價生長在棉纖維上:424.2 m2/g)。最終,“SAFE-Cotton”的比表面積(110.3 m2/g)相比于普通棉織物提高了38倍,并且仍保持著棉織物原有的柔軟性、透氣性和可穿戴性,使其在新型個人防護設備方面的應用成為可能。


    圖1.a)基于棉織物的超強吸附性纖維基設備“SAFE-Cotton”的制備工藝。b)電子顯微鏡下“SAFE-Cotton”的表面結構與形態。c)不同材料的氮氣等溫吸附-解吸結果。d)柔性的、可折疊、可卷曲、可恢復的“SAFE-Cotton”。


      得益于“SAFE-Cotton”優秀的比表面積、孔隙率和親核性,烷基化類熏蒸劑的快速吸附和解毒機理如圖2a)所示。具體來說,熏蒸劑氣體包括碘甲烷,溴甲烷,1,3-二氯丙烯和三氯硝基甲烷可被“SAFE-Cotton”通過毛細冷凝效應快速吸附(吸附平衡時間在一分鐘之內)。同時,“SAFE-Cotton”在10次碘甲烷蒸汽的重復暴露過程中表現出穩定的吸附效率。“SAFE-Cotton”對于碘甲烷的吸附量可高達596.88 mg/g.


    圖2.a)“SAFE-Cotton”的吸附和解毒機理。b)碘甲烷吸附曲線。c)碘甲烷循環吸附效率。d)“SAFE-Cotton”對于其他熏蒸劑的吸附曲線。


      更值得一提的是,被吸附的碘甲烷可在“SAFE-Cotton”的孔隙內進行原位解毒:與親核性的Nu-POP發生烷基化反應。同時依賴于Nu-POP中的氮原子的Bronsted堿性,材料解毒后生成的中間體會進一步發生失氫反應而引起電子重排,從而使得材料產生肉眼可見的黃色(如圖3所示)。而解毒反應的發生引起了Nu-POP結構的變化(如比表面積和孔隙率降低),從而影響“SAFE-Cotton”后續的吸附解毒效果。隨著解毒過程的積累,“SAFE-Cotton”可呈現出從白色到棕黃色的顏色變化以警示解毒過程的發生,并且根據顏色變化程度提示更換材料以保證防護效果。


    圖3.a)“SAFE-Cotton”吸附和解毒不同濃度碘甲烷之后的顏色變化。b)相應顏色變化的“SAFE-Cotton”保留的吸附效率。


      以上相關成果以“Wearable super-adsorptive fibrous equipment in situ grafted with porous organic polymers for carcinogenic fumigant defense and detoxification”為題發表在Journal of Materials Chemistry A上。論文的第一作者為美國加州大學戴維斯分校生物與農業工程系博士后唐佩馨,通訊作者為孫剛教授。共同作者還有東華大學化學化工與生物工程學院講師紀柏林


      原文鏈接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ta/d0ta07475f#!divAbstract

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