耐用的水下抗污染材料研究进展

耐用的水下抗污染材料研究进展

随着中国经济的发展和资源需求的增长，海洋产业的发展在不断加速，包括海上交通运输业、渔业、船舶工业、海洋油气业、旅游业等。但是经济发展的同时也给海洋带来了严重的油污染问题，油污会吸附在一些水下材料的表面，对材料的性能、寿命、使用等造成诸多影响。近年来，水下防油材料已经引起大家的关注。但是目前所报道的水下防油材料通常都使用水凝胶或者金属，金属材料在水下容易形成微型腐蚀电池，导致金属材料破坏，而水凝胶材料水下力学性能比较差，不耐用。


为了克服上述问题，北京航空航天大学化学学院的衡利苹等人在江雷院士的指导下，受到贝壳层状结构的启发，制备了同时具有贝壳纳米层结构和六边形凸起结构的水下抗油材料。这种结构的材料对水下油滴表现出极低的粘附性及优异的力学性质（Adv. Mater., 2016, 28, 8505）。


在随后的实验中，研究人员发现水下抗油材料水下力学行为衰减的原因是材料吸水或与水分子相互作用导致的，而如果要实现水下抗油功能，必须使材料吸水，材料的吸水又会导致力学行为的衰减，由此相互矛盾。针对这个问题，衡利苹研究员团队制备了层状异质结构的聚丙烯酸/聚偏二氟乙烯-石墨烯纳米片（PAA/PVDF–GN）复合材料，其表面具有凸起的六方柱状结构。外层使用亲水性的PAA水凝胶可以防止水下油污在材料表面黏附，而内层使用疏水的层状结构可以使材料在水下保持优良的力学性能（图1）。

耐用的水下抗污染材料研究进展

这种材料与之前报道的水下抗油材料相比，具有突出的水下力学稳定性。该材料的成功制备促进了水下抗油材料在潜水器、水下机器人、冲锋舟、轻型桥梁等领域的应用。相关成果近期发表在Advanced Materials 上，被选为当期的Frontispiece论文（图2）。


图1. 目标产物的结构示意图。具有微/纳米柱状结构的疏水层上修饰了一层薄薄的PAA，当材料浸泡在水中时，水分子储存在PAA层；右侧放大图呈现的是异质结构界面，水与PAA之间形成氢键；表层捕获的水分子排斥油滴，防止表面油污的粘附；在PVDF中定向排列的GN片层独特的疏水特性可保持水下材料的机械稳定性。

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