洪恒飛 科技日?qǐng)?bào)記者 江耘

大面積的油污覆蓋在海面上，成群的海洋生物深陷其中甚至缺氧死亡……隨著海上運(yùn)輸業(yè)迅速發(fā)展，原油和有機(jī)溶劑泄漏事故頻繁發(fā)生，油類污染物中的有毒化學(xué)物質(zhì)會(huì)在生物體中逐漸積累，對(duì)生態(tài)環(huán)境與人體造成危害。

針對(duì)泄漏事故，目前國(guó)際通用的原油吸附泡沫，原料多來(lái)自石化資源且不可降解，與綠色環(huán)保理念并不契合。開發(fā)一種生物質(zhì)來(lái)源且高效的吸油材料，是相關(guān)領(lǐng)域的重要研究方向。

近期，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所生物基高分子材料團(tuán)隊(duì)陳景研究員和朱錦研究員與加拿大多倫多大學(xué)顏寧教授團(tuán)隊(duì)合作，設(shè)計(jì)研發(fā)了一類木質(zhì)素基聚氨酯泡沫復(fù)合材料，可用于治理海上油污泄漏，還能在溫和堿性環(huán)境下無(wú)害化降解。

替換石油原料 木質(zhì)素仍有用武之地

在木本植物中，木質(zhì)素含量占到約25%，是自然界植物中含量?jī)H次于纖維素的第二大天然有機(jī)高分子聚合物。在工業(yè)生產(chǎn)中，木質(zhì)素通常作為造紙行業(yè)的副產(chǎn)物，被燃燒或直接排放。

“當(dāng)前的吸油材料大多以泡沫、氣凝膠或者多孔膜材料類的多孔材料為主。其中商用聚氨酯泡沫在油水分離中的應(yīng)用特別普遍。”陳景介紹，聚氨酯材料由多元醇與異氰酸酯經(jīng)過聚加成反應(yīng)得到，傳統(tǒng)聚氨酯材料所用的多元醇來(lái)源于石油，而木質(zhì)素基聚氨酯的多元醇則來(lái)源于生物質(zhì)。

是否可以將普遍被浪費(fèi)的木質(zhì)素利用起來(lái)，提高聚氨酯材料的環(huán)境友好性？2019年下半年，研究團(tuán)隊(duì)開始著手研發(fā)，希望通過引入木質(zhì)素，降低聚氨酯材料的成本，并且作為降解位點(diǎn)實(shí)現(xiàn)降解。

研究團(tuán)隊(duì)首先采用一步法制備了碳納米管復(fù)合的木質(zhì)素基聚氨酯原油吸附泡沫，用于高效原油回收。其中，碳納米管起到光熱轉(zhuǎn)化材料的作用。

“所謂一步法，就是將制備好的多元醇與異氰酸酯混合，快速攪拌，倒入模具，無(wú)需維持環(huán)境條件，一步生成聚氨酯泡沫。這與傳統(tǒng)聚氨酯泡沫制備方法一致。”陳景解釋說。

常溫下原油黏度較高，類似固體，但在較高溫度下其黏度會(huì)顯著降低，有助于提高泡沫吸收速率。通過模擬海洋環(huán)境實(shí)驗(yàn)，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，制備出的木質(zhì)素聚氨酯泡沫經(jīng)過一個(gè)太陽(yáng)光照（輻射功率一千瓦特每平方米）后，表面溫度可高達(dá)90℃，在6分鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)自身6倍以上質(zhì)量的原油回收。

“通過擠壓這種泡沫，可將其吸附的油污進(jìn)行回收處理再利用。”陳景表示，美中不足的是，碳納米管不可降解，還會(huì)阻礙泡沫材料的降解速率，需要對(duì)此加以完善。

添加特殊功能 新材料適用多種工況

通過與中科院寧波材料所黃慶研究員合作，研究團(tuán)隊(duì)替換碳納米管，將具有可降解性、光熱轉(zhuǎn)換能力更佳的MXenes納米片引入到了泡沫基體中。

據(jù)了解，MXenes納米片能夠在熱氧環(huán)境下降解成對(duì)環(huán)境無(wú)污染的二氧化鈦等物質(zhì)，提高聚氨酯泡沫的環(huán)境友好性。

由于某些具有特殊用途的有毒油相廢液，處理人員無(wú)法接近，需要能夠精準(zhǔn)定向進(jìn)行油污吸附的材料。 基于已有的合作成果，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開發(fā)，研制出了一種超疏水磁性木質(zhì)素基聚氨酯泡沫。

“將四氧化三鐵納米顆粒引入到泡沫中，能使泡沫整體具有一定的磁性和光熱性能，而通過硅烷的表面修飾則使其具有超疏水性。”陳景解釋道，超疏水磁性木質(zhì)素基聚氨酯泡沫在太陽(yáng)光下可以借助光熱輔助原油回收，陰雨天能夠通過超疏水的表面性質(zhì)實(shí)現(xiàn)常規(guī)油水分離，實(shí)現(xiàn)24小時(shí)作業(yè)。

研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在一個(gè)太陽(yáng)光照下，超疏水磁性木質(zhì)素基聚氨酯泡沫表面最高溫度能達(dá)到66.5℃，吸附約自身5倍質(zhì)量的原油。利用其磁性，由此制成的吸附劑可以利用磁場(chǎng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和回收。

記者了解到，超疏水性的引入，對(duì)泡孔孔隙率有一定影響，相比團(tuán)隊(duì)最初研制的木質(zhì)素聚氨酯泡沫，兩款泡沫在功能性和吸附量上各有所長(zhǎng)。

除了應(yīng)對(duì)海上原油泄漏，木質(zhì)素聚氨酯泡沫材料還可作為抗菌敷料、過濾材料、保溫材料、隔音吸波材料等。目前，研究團(tuán)隊(duì)已與企業(yè)合作，將木質(zhì)素聚氨酯泡沫材料率先用于汽車內(nèi)飾中。

“木質(zhì)素的大量使用，使得這類泡沫制作成本非常廉價(jià)（比商用聚氨酯泡沫成本可以下降30%左右），在環(huán)保方面的優(yōu)勢(shì)相當(dāng)突出。下一步，團(tuán)隊(duì)將嘗試提升這類泡沫材料的吸油速率。”陳景表示，這項(xiàng)研究不僅為木質(zhì)素基聚氨酯泡沫的應(yīng)用找到出口，也為今后生物基高分子材料的應(yīng)用提供了一種思路。

關(guān)鍵詞：