耐用的水下抗污染材料研究進展

耐用的水下抗污染材料研究進展

隨著中國經(jīng)濟的發(fā)展和資源需求的增長，海洋產(chǎn)業(yè)的發(fā)展在不斷加速，包括海上交通運輸業(yè)、漁業(yè)、船舶工業(yè)、海洋油氣業(yè)、旅游業(yè)等。但是經(jīng)濟發(fā)展的同時也給海洋帶來了嚴重的油污染問題，油污會吸附在一些水下材料的表面，對材料的性能、壽命、使用等造成諸多影響。近年來，水下防油材料已經(jīng)引起大家的關(guān)注。但是目前所報道的水下防油材料通常都使用水凝膠或者金屬，金屬材料在水下容易形成微型腐蝕電池，導(dǎo)致金屬材料破壞，而水凝膠材料水下力學性能比較差，不耐用。


為了克服上述問題，北京航空航天大學化學學院的衡利蘋等人在江雷院士的指導(dǎo)下，受到貝殼層狀結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，制備了同時具有貝殼納米層結(jié)構(gòu)和六邊形凸起結(jié)構(gòu)的水下抗油材料。這種結(jié)構(gòu)的材料對水下油滴表現(xiàn)出極低的粘附性及優(yōu)異的力學性質(zhì)（Adv. Mater., 2016, 28, 8505）。


在隨后的實驗中，研究人員發(fā)現(xiàn)水下抗油材料水下力學行為衰減的原因是材料吸水或與水分子相互作用導(dǎo)致的，而如果要實現(xiàn)水下抗油功能，必須使材料吸水，材料的吸水又會導(dǎo)致力學行為的衰減，由此相互矛盾。針對這個問題，衡利蘋研究員團隊制備了層狀異質(zhì)結(jié)構(gòu)的聚丙烯酸/聚偏二氟乙烯-石墨烯納米片（PAA/PVDF–GN）復(fù)合材料，其表面具有凸起的六方柱狀結(jié)構(gòu)。外層使用親水性的PAA水凝膠可以防止水下油污在材料表面黏附，而內(nèi)層使用疏水的層狀結(jié)構(gòu)可以使材料在水下保持優(yōu)良的力學性能（圖1）。

耐用的水下抗污染材料研究進展

這種材料與之前報道的水下抗油材料相比，具有突出的水下力學穩(wěn)定性。該材料的成功制備促進了水下抗油材料在潛水器、水下機器人、沖鋒舟、輕型橋梁等領(lǐng)域的應(yīng)用。相關(guān)成果近期發(fā)表在Advanced Materials 上，被選為當期的Frontispiece論文（圖2）。


圖1. 目標產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)示意圖。具有微/納米柱狀結(jié)構(gòu)的疏水層上修飾了一層薄薄的PAA，當材料浸泡在水中時，水分子儲存在PAA層；右側(cè)放大圖呈現(xiàn)的是異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面，水與PAA之間形成氫鍵；表層捕獲的水分子排斥油滴，防止表面油污的粘附；在PVDF中定向排列的GN片層獨特的疏水特性可保持水下材料的機械穩(wěn)定性。

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