前言

幾千年來，航運，休閑船，熱交換器，海洋傳感器和水產養殖系統的海洋油污一直是一個嚴重的問題。隨著對油污水環境中水下活動的日益關注，開發具有防油性能的材料已經引起了相當大的關注，并成為界面科學基礎領域和各領域實際應用中感興趣的主題。科學家已采用各種方法模仿自然界中發現的疏油表面，例如魚鱗，海藻和珍珠母。最近認為具有高表面能的分級微米/納米結構表面的組合是產生水下拒油表面的最有效策略之一，例如金屬氧化物、聚電解質組件、水凝膠、海藻酸鈣和光催化納米粒子。但由于以上材料與海水分子相互作用或吸收海水，其在海洋環境中機械性能差。從前期研究中，研究者總結出水下產生機械堅固耐油材料的一些必要特性是矛盾的; 例如，材料必須具有高含水量，但能夠防油粘合; 然而，含水量降低了它們的機械堅固性。開發具有高水含量和機械強大的水下保留特性的合成材料是一項重大挑戰。幸運的是，成功解決這些矛盾約束的例子在自然界中以異構結構的形式而眾所周知，這意味著從原子尺度到宏觀系統通常存在兩個相反但合作和互補的條件。因此使用異質結構的沖突性質有望解決上述問題。

主要內容

北京航空航天大學江雷院士團隊Liping Heng等通過構建異質結構層狀聚丙烯酸/聚偏二氟乙烯-石墨烯納米片（PAA / PVDF-GN）復合材料，在凹面六角蜂窩狀硅襯底上通過蒸發PVDF和GN的混合溶液在表面上構建具有凸面六角柱狀結構的層狀PVDF-GN復合材料，溶液蒸發后，將膜從硅襯底上剝離，浸入丙烯酸（AA）和H2O2溶液中以接枝厚度為50-100nm的外部PAA層，從而制備機械堅固且防水防油的材料。外部親水性PAA水凝膠涂層防止各種油在水下粘附到材料上（油接觸角大于150°，粘附力低于2.8μN），而內部疏水層狀微結構即使在海水中浸泡并且極端pH值達1個月之后，也能在水下具有優異的機械性能（拉伸應力和硬度分別為83.92±8.22?86.73±7.8 MPa和83.88±6.8?86.82±5.64 MPa）。以上研究為潛水器，水下機器人，水下采礦收集器，沖鋒舟，巡邏艇，輕型橋梁和其他救援艙等領域，機械堅固的水下防油材料在實際應用中的結構設計提供了新的見解。另外，根據其實際應用，這種具有優異水下機械性能的自立式膜可直接使用或作為防油涂層粘貼到任何表面，也可以用于通過配備針頭的臺式機器人沖孔系統對其進行穿孔來進行油水分離。

圖文鑒賞

　　圖1.左圖為目標結構示意圖，薄PAA層用柱狀微/納米結構修飾疏水層狀PVDF-GN基底的表面，當材料浸入水中時，水分子被截留在PAA層中；右圖顯示異質結界面的放大圖，其中水和PAA之間發生氫鍵相互作用。被截留的水分子排斥油滴并減輕表面上的油粘附。具有一定取向的GN在PVDF中的獨特疏水性質保障水下機械性能的穩定性。因此期望目標材料顯示優異的水下機械性能和低油粘附性。

　　圖2.異質結構復合材料的典型結構和水下超疏油性。a,b）俯視SEM圖像，顯示凸起的六角形微米級柱和納米級突起，插圖：在異質結構復合材料上的水下油滴照片，接觸角為164.7°±3.3°；c,d）顯示分層結構的側視SEM圖像;插圖表示GN取向；e）水下油滴在異質結構復合材料上的力-距離曲線；f）PAA / PVDF-GN與海水浸泡時間的油接觸角和粘附力，表現出穩定的水下超疏油性和低粘附性，插圖為該材料在海水中浸泡30天后的SEM圖像；g）粘合力與油滴的預加載力，達到100μN時顯示出穩定的超低附著力，插圖是在與PAA / PVDF-GN表面上的預加載和脫離接觸期間的油滴形狀的代表性照片，顯示在分離期間沒有油滴拉伸；h）在不同pH值的水中浸泡30天后，疏油角和膜上粘附力的變化，油是1,2-二氯乙烷。

　　圖3. a,b）PAA / PVDF-GN復合材料在海水中浸泡0,1,2,3,4和5小時后的拉伸應力-應變曲線和載荷位移曲線; d）HEC-MMT材料在海水中浸泡0和5分鐘后的拉伸應力-應變曲線和載荷位移曲線; e,f）分別在海水中浸泡0分鐘和5分鐘后PAA的拉伸應力-應變曲線和載荷位移曲線；結果表明，PAA / PVDF-GN材料的機械性能穩定，在海水中浸泡幾個小時后略有下降，而即使在非常短的浸泡時間后，HEC-MMT和PAA的機械性能也不穩定，并且在浸入海水后顯著降低。

　　圖4. a）海水中的拉伸強度和楊氏模量與浸泡時間的關系； b）硬度和鉺與海水浸泡時間的關系; c）在不同pH值的幾種溶液中的浸泡30天后，膜的拉伸強度和楊氏模量以及d）硬度和Er的變化；結果表明，PAA / PVDF-GN復合材料無論在海水中還是在極端pH值下都具有穩定的機械性能。