耐用的水下抗污染材料研究進(jìn)展

耐用的水下抗污染材料研究進(jìn)展

隨著中國經(jīng)濟(jì)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(jì)發(fā)展的同時也給海洋帶來了嚴(yán)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(xué)性能比較差，不耐用。


為了克服上述問題，北京航空航天大學(xué)化學(xué)學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)行為的衰減，由此相互矛盾。針對這個問題，衡利蘋研究員團(tuán)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(xué)性能（圖1）。

耐用的水下抗污染材料研究進(jìn)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(xué)穩(wěn)定性。該材料的成功制備促進(jìn)了水下抗油材料在潛水器、水下機(jī)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(dāng)期的Frontispiece論文（圖2）。


圖1. 目標(biāo)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(dāng)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(jī)械穩(wěn)定性。

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