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研究背景

作为一项重大的全球性挑战，化学表面活性剂在日常生活和工业生产中的使用日益增加，不断挑战着生态可持续发展。在众多形式的表面活性剂中，家庭护理洗涤剂(例如，洗衣和厨具洗涤剂)占全球表面活性剂市场的40%以上。在过去的二十年里，中国合成洗涤剂的产量以每年36万吨的速度增长，从2001年的348万吨增加到2021年的1077万吨。因此，洗涤剂的使用日益增加，使得处理含有表面活性剂的废水成为越来越大的负担。例如，2017年的废水处理消耗了美国约4%的电力。据进一步估计，在未来15年内，发达国家废水处理所需的电力将增加20%，从而大大增加二氧化碳排放和能源消耗。

成果简介

在洗衣过程中过量使用合成洗涤剂是造成环境污染的一个重要来源。因此，可持续发展驱动的创新正受到越来越多的关注，以实现以允许最大限度地减少洗涤剂消耗为特征的环保纺织品。近日，陕西师范大学化学与化工学院杨鹏教授课题组提出了一种随意涂布(CAW)策略，在纺织织物上创建一层额外的涂层，以引入抗污性。包覆层是基于溶菌酶(Lyz)和两性离子聚(甲基丙烯酸亚砜甜菜碱)(pSBMA)的共轭聚合物，一旦暴露在织物上，就会在表面形成坚固的纳米膜。值得注意的是，该亲水层表现出优异的水下超疏油性，涂层织物无需洗涤剂即可简单用水清洗。根据一项生命周期分析，这种聚合物纳米膜具有光学透明和生物相容性，不会影响衣物的舒适性，与洗涤剂相比，碳足迹减少了50%以上。

此外，这项CAW策略可以应用于各种材料的表面，包括金属、玻璃、塑料和陶瓷，为清洁产品带来的环境风险提供了一个通用的解决方案，该策略具有高性价比和低用量，因此具有极大的商业潜力，有望针对目前主流织物洗涤清洁方案产生变革性推动作用，从而极大推动社会、经济和环境的绿色可持续发展。这项工作以“Sustainable polymer coating for stainproof fabrics”为题发表在国际顶级期刊《Nature Sustainability》上。祝贺！

杨鹏，中国化学会高级会员，英国皇家化学会会士（Fellow of the Royal Society of Chemistry (FRSC))，教授，博士生导师，国家级人才计划—科技创新领军人才（2019），国家杰出青年基金获得者（2022）。据陕西师范大学官网报道，化学化工学院杨鹏教授的“生物大分子可控聚集与界面粘附”项目获得国家杰出青年科学基金资助，实现了学校自主培养的国家杰出青年科学基金项目的历史性突破。

图文导读

图1 PTL-pSBMA纳米膜的合成及其与底物的快速粘附

图2 PTL-pSBMA纳米膜的防污性能

作者提出了一种随意涂覆(CAW)策略，赋予任何表面在整个生命周期中都能保持的水下超疏油性。这一策略是，任何目标表面都可以通过采用防污亲水性生物聚合物的快速一步水涂层来获得水下抗油染色性能。与普通的以洗涤剂为基础的洗涤方案相比，本发明的涂层方法避免了洗涤过程中洗涤剂的使用，提高了织物的清洗效率。作者发现，水和能源的使用可以减少至少40~50%，碳排放量减少50%以上，至少200次涂层再生。由于其高成本效益(1,620美元每吨衣服)和低推荐用量(0.9 g 每千克衣服)，该方法具有巨大的商业潜力，可以改变目前主流的以洗涤剂为基础的织物洗涤方案。这一策略可能为开发一系列基于caw的涂层设计铺平道路，这些设计可以为清洁产品带来的环境风险提供低碳足迹的可持续解决方案。

对于制备方法，作者通过“接枝”策略，首先合成聚甲基丙烯酸亚砜甜菜碱(pSBMA)，然后将溶菌酶和pSBMA偶联(Lyz-pSBMA)制备蛋白质-聚合物偶联物。通常，在用三(2-羧基乙基)膦(TCEP)还原Lyz-pSBMA分子内二硫键后，Lyz-pSBMA相应的淀粉样聚集物在各种底物上迅速形成稳定的二维相变Lyz-pSBMA纳米膜(PTL-pSBMA)(图1a)。在这个聚合过程中，在PTL-pSBMA的圆二色(CD) (216 nm)和傅里叶变换红外(FTIR) (1625 cm⁻¹)光谱中，β片结构的信号增强反映了蛋白质从α-螺旋到β片的构象转变(图1b)。苯胺-1- 萘磺酸(ANS)(图1c)和硫黄素T (ThT)染色监测的时间分辨生长显示了由疏水残基驱动的快速淀粉样蛋白聚集暴露和随后的疏水性诱导聚集。在此过程中，通过N-(1-芘基)马来酰亚胺(NPM)染色显示了TCEP诱导的二硫键还原对Lyz-pSBMA中游离巯基的暴露。

图3 PTL-pSBMA对织物表面改性的研究

图4 PTL-pSBMA改性织物的耐污性能

图5 CAW概念，使PTL-pSBMA再生再利用

图6 PTL-pSBMA的生命周期评估(LCA)

PTL-pSBMA的坚固性和通用粘接能力突出了其在功能化织物和智能纺织品开发中的重要价值。到目前为止，很少有通用的方法能够在不改变织物原有性能的情况下使织物表面功能化，如织物的光学外观、生物相容性和透气性。在这种情况下，目前的工作为在各种主流织物上创建隐身涂层提供了一种通用策略(图3a)。通过在相变中使用fitc标记的Lyz-pSBMA，在荧光显微镜下可以清晰地看到纺织品和基底表面上的PTL-pSBMA涂层(图3b,c)。与传统的通用涂层相比，PTL-pSBMA涂层具有光学透明特性，厚度为14 nm。基于透气性和透湿性，这种薄薄的蛋白质涂层不影响服装的穿着舒适性(图3d,e)。引入了亲水性两性离子pSBMA聚合物后，随后的WCA测试表明，改性织物的亲水性有了很大的提高。结果，水性墨滴完全分布在PTL-pSBMA涂层的真丝表面，而原始真丝表面保持较差的润湿性(图3f,g)。PTL-pSBMA的高亲水性在改性织物表面提供了表面水化层，通过防止油滴接近织物表面来支持良好的水下拒油性。此外，有机溶剂和食用油在一系列典型织物表面上的接触角>150°(图3h,i)。PTL-pSBMA具有较强的水下超疏油性能;掺入不同浓度的外部分子(如抗菌的ε-聚赖氨酸)后，其变化不大。

此外，由于甜菜碱衍生物的蛋白性质和生物相容性，作者对PTL-pSBMA进行了许多生物安全性和毒性实验，如HT22和L929体外细胞毒性实验、PTL-pSBMA包被绷带的溶血实验、小鼠体内注射后对各内脏的毒性实验、小鼠皮肤刺激试验。以上实验结果表明，PTL-pSBMA对小鼠皮肤、神经细胞以及鱼类和植物生长的毒性均无影响，为PTL-pSBMA具有良好的生物安全性提供了坚实的基础。为了获得优异的生物安全性，进一步探索了可持续扩大应用的一系列要求。从材料成本和环境影响的角度来看，PTL-pSBMA洗涤1公斤衣服的成本约为1.62美元，与植物酶和天然植物提取物洗涤剂的成本相似。此外，作者进行了一个完整的LCA分析(图6a)，包括环境因素，以评估材料的整体可持续性和安全性。与传统的DWL和LP处理相比，PTL-pSBMA的利用可以减少50%的用水量和40%的用电量。

总结与展望

综上所述，作者开发了一种CAW策略，用于设计不再需要洗衣洗涤剂的耐污织物，从而最大限度地减少洗涤剂污染。这种策略的特点是操纵溶菌酶- pSBMA的淀粉样聚集，这是一种蛋白质-两性离子聚合物共轭物。所得到的PTL-pSBMA赋予被涂物质的表面高亲水性，从而具有优异的水下超疏油性。在织物上应用亲水性聚合物涂层可自动去除油渍，无需添加洗涤剂即可轻松实现水致去除油渍。这种方法的清洁效率与传统的以洗涤剂为基础的清洁相当，甚至更好。CAW策略甚至可以在任何时候通过简单地重新涂覆PTL-pSBMA来再生PTL-pSBMA注入的表面。通过这种方式，由PTL-pSBMA涂层支持的涂层清洁模式可以在织物上保持几乎无限的时间。

此外，使用PTL-pSBMA系统，水和能源消耗可减少40-50%，碳足迹减少了50%以上。此外，除了其成本效益，还具有低洗涤剂量、良好的光学透明度(~100%)，良好的生物相容性和优异的抗生物污染性能。CAW策略允许家庭和工业无洗涤剂清洁，具有出色的清洁效率和生态安全，为可持续发展的未来做出贡献。

文献信息

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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