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

隨著中國經濟的發展和資源需求的增長，海洋產業的發展在不斷加速，包括海上交通運輸業、漁業、船舶工業、海洋油氣業、旅游業等。但是經濟發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，水下防油材料已經引起大家的關注。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下，受到貝殼層狀結構的啟發，制備了同時具有貝殼納米層結構和六邊形凸起結構的水下抗油材料。這種結構的材料對水下油滴表現出極低的粘附性及優異的力學性質（Adv. Mater., 2016, 28, 8505）。


在隨后的實驗中，研究人員發現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致的，而如果要實現水下抗油功能，必須使材料吸水，材料的吸水又會導致力學行為的衰減，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結構的聚丙烯酸/聚偏二氟乙烯-石墨烯納米片（PAA/PVDF–GN）復合材料，其表面具有凸起的六方柱狀結構。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，而內層使用疏水的層狀結構可以使材料在水下保持優良的力學性能（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、輕型橋梁等領域的應用。相關成果近期發表在Advanced Materials 上，被選為當期的Frontispiece論文（圖2）。


圖1. 目標產物的結構示意圖。具有微/納米柱狀結構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；右側放大圖呈現的是異質結構界面，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定性。

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