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NanoRes.│武汉纺织大学王栋、王雯雯、杨晨光:采用电子束辐照实现高开孔率的聚丙烯发泡材料简单快速制备,提高材料油水分离性能

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背景介绍


尽管石油泄漏受到了媒体前所未有的关注,但更糟糕的情况可能是油水混合物在海洋保护和能源回收等许多领域造成了紧迫的污染问题。随着钻井扩展到更深、更具挑战性的海洋,特别是在和石油工业紧密交织在一起的国家。为了解决由原油、石油产品和有毒有机溶剂污染造成的日益严重的环境和生态问题,有必要制定经济上可行的策略。传统的油水分离吸附材料在制备方法、成本、可重复使用性和机械性能方面都存在局限性。在传统的吸附材料中,超疏水/超亲脂性材料很容易被油污染。因此,开发可简单制备、廉价易得以及可以大规模生产且具有高效油水分离性能的材料显得尤为重要。


研究方法


王栋教授课题组报道了基于超临界流体(SCF)发泡与电子束辐照相结合的方法制备高开孔率以及高效油水分离性能聚丙烯(PP)发泡材料。课题组提出一种利用高能射线辐照破壁法制备高开孔率的聚丙烯发泡材料的创新方案。经过电子束辐照处理后(吸收剂量为200kGy),微孔孔壁上出现大量裂纹和孔洞,PP发泡材料的开孔率从27.4%增加至86.5%,同时截面粗糙度增加疏水性能得到提升。由于高能射线对微孔结构照射具有很好的均匀性,使得各个微孔之间表现出很高的连通性,油液可以快速进入材料内部达到饱和,对常规工业柴油的吸附量、吸附速率以及分离效率可达42.8g/g,0.0713g·(g·s)以及99.6%,在较宽的pH吸附环境仍表现出相同的吸附效率。同时该聚丙烯发泡材料表现出优异的循环压缩性能和可回收性,经过上百次的解吸油后吸油效率仍然保持在82%以上。这项工作实现了高开孔率、高吸油量和高效油水分离聚丙烯发泡材料的快速简单制备,在海上溢油快速应急处理和有机污染物去除方面具有广阔的应用前景。


图文导读


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图1 (a)制备开孔PP泡沫的快速、简单工艺流程图。吸收剂量分别为(b) 0 kGy和(c) 200 kGy的PP泡沫的SEM图像;(d)孔径、孔密度和(e)孔隙率、开孔率;(f)放大的SEM图像表面图;(g)孔壁纳米孔的距离图。


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图2 (a)吸收剂量为200 kGy的泡沫吸附在盐酸水溶液表面的实时照片;(b)一种油水乳液的分离机理;(c)油水乳化液分离前后的对比照片;(d)油入渗后泡沫表面的水接触照片;(e)、(f)和(g)油水乳化液分离前后的光学显微图片。(h)100次过滤循环后两种油水乳液的分离效率;(i)在泵送过程中,改性泡沫在水面上连续吸附柴油和在水底上连续吸附四氯化碳的图像;(j)不同水溶液的实验侵入压力;(k)入侵水压试验照片。


作者简介


王栋,中国共产党党员,武汉纺织大学二级教授,博导,现任武汉纺织大学党委常委、研究生院院长、学科办主任,纺织纤维及制品教育部重点实验室主任。2008年2月博士毕业于美国加州大学戴维斯分校,获得博士学位,曾先后在美国INVISTA公司及美国Eeonyx公司担任研发工程师及研发中心主任。获评国家“万人计划”青年拔尖人才、教育部“新世纪优秀人才”,享受国务院政府特殊津贴。荣获全国五一劳动奖章、美国纤维学会杰出成就奖、中国青年科技奖、中国纺织工程学会纺织学术大奖、纺织学术带头人、纺织青年科技奖、全国纺织青年科技创新领军人才。担任中国纺织工程学会理事会理事,中国纺织工程学会青年工作委员会主任,中国科协先进材料联合体青年工作委员会副主任,中国复合材料学会微纳米复合材料专业委员会、中国机械工程学会材料分会高分子专业委员会、中国产业用纺织品行业专家委员会委员,国家知识产权局专利分析和预警专家库专家。长期致力于先进纤维新材料及其与生物、电子、能源、环境等交叉学科领域的创新研究工作,在AdvancedFunctional Materials, AngewandteChemie International Edition, AppliedCatalysis B: Environmental, Chemical Engineering Journal等学术期刊上发表SCI论文200余篇,授权中国发明专利180余项,编著及合著中英文书籍4部;并以第一完成人获湖北省科学技术发明奖一等奖1项,中国纺织工业联合会科学技术奖一等奖2项,二等奖2项和中国纺织行业专利奖金奖1项。近年来,承担国家自然科学基金,国家重点研发计划,国家科技支撑计划、国家“863”纳米专项、湖北省技术创新专项重大项目、湖北省杰出青年基金、湖北省优秀中青年创新团队以及湖北省创新群体等国家、省部级项目30余项,并与中国石化、日本大金等国内外著名企业合作开发多个新产品。

课题组主页:http://wdgroup.org/


王雯雯,武汉纺织大学副教授,硕士生导师,武汉市大纤维工程技术研究中心副主任,入选湖北省楚天学者计划(楚天学子)。2009年获得西北工业大学高分子材料与工程专业学士学位,2014年获得西北工业大学高分子化学与物理专业博士学位(2013年在美国田纳西大学进行联合培养),主要从事刺激响应变色纤维材料的开发与应用研究、聚酯及尼龙纤维的差别化改性研究,主持国家自然科学基金青年及面上项目各1项、湖北省自然科学基金1项、湖北省教育厅科研计划青年人才及重点项目各1项以及企业委托横向课题8项,作为骨干人员参与国家重点研发计划、山东省重点研发计划(重大科技创新工程)及其他省部级课题5项,目前以第一作者/通讯作者在Journal of Materials & Science Technology、Nano Research、Macromolecules、ACS Applied Materials & Interfaces、Polymer Chemistry等国际期刊发表SCI学术论文21篇、高被引论文1篇,授权美国、日本及中国发明专利50余项,参与撰写书籍《海岛纺丝与纳米纤维》,荣获中国纺织工业联合会科学技术进步奖一等奖1项。


杨晨光,武汉纺织大学副教授,硕士生导师。郑州大学化工学院学士(2014),中国科学院大学(上海应用物理研究所)博士(2019)。目前已发表高水平学术论文30余篇,撰写中英文著作2部2个章节,申请发明专利10余项,授权4项,主持国家自然科学基金,省部级和横向等项目6项,获得竞争性经费超150万。获2018年第13届中国核学会“三核论坛”优秀学术报告二等奖,中国化学会会员和中国核学会会员。讲授《聚合物模具设计》,《工程方法论》,《工程伦理》,《生产实习》等本科专业课程,承担研究生教改研究项目1项,指导研究生创新基金和大学生创新创业训练项目6项,指导研究生获国家奖学金1名。现担任中国核学会辐射研究与应用分会理事。


王栋教授课题组长期从事先进纤维新材料及其与生物、电子、能源、环境等交叉学科领域的创新研究工作,在AdvancedFunctional Materials, AngewandteChemie International Edition, AppliedCatalysis B: Environmental, Chemical Engineering Journal等学术期刊上发表SCI论文240余篇,授权中国发明专利180余项,编著及合著中英文书籍4部。


文章信息


Yang C, Tao D, Yan K, et al. A scalable versatile methodology to construct micro/nano open-cell polypropylene foam with high oil adsorption capacity and speed. Nano Research, 2023, https://doi.org/10.1007/s12274-023-6165-1.


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