说起高分子材料,普通人也许会觉得莫测高深,其实我们身边到处都是它们的身影。
无论是作为食物的蛋白质还是作为织物的棉、毛和蚕丝都是天然高分子材料,就连人体本身,基本上也是由各种生物高分子构成的。我国在开发天然高分子材料方面曾走在世界领先水平。利用竹、棉、麻等纤维等高分子材料造纸是我国古代的四大发明之一。另外,利用桐油与大漆等高分子材料作为油漆、涂料制作漆制品也是我国古代的传统技术。
高分子是由碳、氢、氧、硅、硫等元素组成的分子量足够高的有机化合物。之所以称为高分子,就是因为它的分子量高。常用高分子材料的分子量在几百到几百万之间,高分子量对化合物性质的影响就是使它具有了一定的强度,从而可以作为材料使用。这也是高分子化合物不同于一般化合物之处。又因为高分子化合物一般具有长链结构,每个分子都好像一条长长的线,许多分子纠集在一起,就成了一个扯不开的线团,这就是高分子化合物具有较高强度,可以作为结构材料使用的根本原因。另一方面,人们还可以通过各种手段,用物理的或化学的方法,或者使高分子与其他物质相互作用后产生物理或化学变化,从而使高分子化合物成为能完成特殊功能的功能高分子材料。
功能高分子材料主要包括物理功能高分子材料及化学功能高分子材料。前者如导电高分子、高分子半导体、光导电高分子、压电及热电高分子、磁性高分子、光功能高分子、液晶高分子和信息高分子材料等;后者如反应性高分子、离子交换树脂、高分子分离膜、高分子催化剂、高分子试剂及人工脏器等,此外还有生物功能和医用高分子材料,如生物高分子、模拟器、高分子药物及人工骨材料等。 大致地说,高分子可以分为天然高分子与合成(人工)分子。
人工高分子的岁数并不大,直到19世纪中叶,人类才开始对天然高分子的化学改性与应用,而后又发展到高分子的人工合成,这中间主要包括橡胶、纤维与塑料等。
(一)、天然橡胶的利用、开发与改性。在中美洲与南美洲,15世纪左右当地人用天然橡胶做游戏与生活用品如容器与雨具等。18世纪法国人发现南美洲亚马孙河有野生橡胶树,橡胶一词当地印地语即“木头流泪”的意思,割开橡胶树皮即流出乳液,后来叫天然橡胶,19世纪中叶,英国人取橡胶树的种子在锡兰(斯里兰卡)种植成功,并逐渐扩大到马来西亚与印尼等地,但是制造天然橡胶制品中,生胶如何溶解与加工是一大问题。直到19世纪40年代美国人发现用松节油、硫黄与碳酸铅共热后得到不粘而有弹性制品,即所谓硫化技术,因此,到1920年左右,亚洲地区天然橡胶出口量达70多万吨,与当时巴西的野生橡胶出口量相同。
(二)、天然纤维素的改性。19世纪,德国人开始用硝酸溶解棉纤维,结果可以纺丝或成膜,但其易燃烧,最后用它制成了无烟炸药。如果在其中加入樟脑,可以加工成名为“赛璐珞”的塑料,它能制作照相底片或电影胶片,但也易燃,此外,这种工艺也用在汽车车身喷漆中。稍后,英国人用氢氧化钠处理棉纤维得到丝光纤维,再用二硫化碳溶后纺丝,制成粘胶纤维,还可以用木浆做帘子线、玻璃纸及人造丝等。但80年代后期由于二硫化碳的污染问题,使厂家不得不另找它法,工厂多半停产。此外,德国人用醋酐进行纤维素酯化,获得醋酸纤维,由于不易燃烧故多用于照相底片与电影胶片,也可用于飞机机身涂料或者重新纺丝制成人造丝织物。
(三)、最早的塑料。在20世纪初,美国人用苯酚与甲醛反应得到可用作电绝缘器材的酚醛树酯,这是最早的合成高分子,与此同时,俄国人用酒精制成丁二烯,再用钠使之聚合成橡胶,二次大战后德国人与美国人又发展成一类十分重要的合成橡胶即丁二烯与苯乙烯共聚而得的丁苯橡胶。尽管有以上几方面的重要成果并建立了工业,但当时对天然高分子与合成高分子的结构并不清楚,因此,对聚合反应历程也还不了解。
20世纪初,人们已经确认了淀粉的分子式,并知道其水解后得到葡萄糖。但并不知道分子之间如何连接,所以认为淀粉是葡萄糖或它的环状二聚体的缔合体。同样,科学家了解天然橡胶裂解可得异戊二烯,但是不知它们之间如何连接以及它的末端结构,因为也认为是二聚环状结构的缔合体。科学技术的发展使科学家们有可能用物理化学和胶体化学的方法去研究天然和实验室合成的高分子物质的结构。德国物理化学家斯陶丁格经过近10年的研究认为,高分子物质是由具有相同化学结构的单体经过化学反应(聚合)将化学键连接在一起的大分子化合物,高分子或聚合物一词即源于此。1928年当斯陶丁格在德国物理和胶体化学年会上宣布这一观点时,却遭到多数同行反对而未被承认。但真理是在斯陶丁格这一边,经过两年的实验验证,1930年斯陶丁格再次在德国物理和胶体化学年会上阐明他的高分子概念观点时,他成功了。至此,历经10余载的争论,科学的高分子概念才得以确立。他进一步阐明了高分子的稀溶液粘度与分子量的定量关系,并在1932年出版了一部关于高分子有机物的论著,这后来被公认为是高分子化学作为一门新兴学科建立的标志。为了表扬斯陶丁格的功绩,瑞典皇家科学院授予他1953年诺贝尔化学奖。
对大分子概念的一个有力证实就是1935年美国杜邦公司发表已二胺与已二酸缩聚而成高分子聚酰胺,即尼龙6-6,并于1938年工业化,这就是大家熟知的尼龙袜材料。另外,鲜为人知的是,二次大战后期美军使用的降落伞就是这种尼龙6-6材料制作的。
40年代乙烯类单体的自由基引发聚合发展很快,实现工业化的包括氯乙烯、聚苯乙烯和有机玻璃等,这是合成高分子蓬勃发展的时期。进入50年代,从石油裂解而得的a-烯烃主要包括乙烯与丙烯,德国人齐格勒与意大利人纳塔分别发明用金属络合催化剂聚合而成聚乙烯即低压聚乙烯与聚丙烯,前者1952年工业化,后者1957年工业化,这是高分子化学的历史性发展,因为可以由石油为原料又能建立年产10万吨的大厂,他们二人后来都获得了诺贝尔奖金。
60年代,由于要飞往月球而出现高温高分子的研究热。耐高温的定义是材料能够在氮气中、500摄氏度环境中能使用一个月;在空气中,300摄氏度环境下能使用一个月。其结果主要分为两大类,一类是芳香聚酰胺例如苯二胺与间苯二酰缩聚得到的高分子Nomex,这在当时曾被作为太空服的原料。还有对苯二胺与对苯二酰氯缩聚得到的高分子Kevlar,它属于耐高温的高分子液晶,现在用于超音速飞机的复合材料中。另一类是杂环高分子,例如聚芳亚酰胺和作为高温粘合剂的聚苯并咪唑为现在的宇航飞行所需的材料打下了基础。
由于高分子材料具有许多优良性能,适合现代化生产,经济效益显著,且不受地域、气候的限制,因而高分子材料工业取得了突飞猛进的发展,目前世界上合成高分子材料的年产量已经超过1.4亿吨。如今高分子材料已经不再是金属、木、棉、麻、天然橡胶等传统材料的代用品,而是国民经济和国防建设中的基础材料之一。与此同时,高分子科学的三大组成部分――高分子化学、高分子物理和高分子工程也已经日趋成熟。
高分子材料包括塑料、橡胶、纤维、薄膜、胶粘剂和涂料等。其中被称为现代高分子三大合成材料的塑料、合成纤维和合成橡胶已经成为国家建设和人民日常生活中必不可少的重要材料。由于石油资源的逐渐减少,人们正在积极考虑其它能源,例如太阳能、氢能与原子能的开发,但也必需看到石油的主要用途是作为燃料,用于化学工业的仅占7%,其中作为高分子原料的只有5%,因此一般认为即使在下个世纪,高分子的主要原料仍可来自石油。另一方面,特种油田高分子用于二次或三次采油颇有成效,很有助于石油能源开发。材料高分子在材料领域中有它特殊的地位,特别是交通工具,可以替代比重较大的金属与陶瓷,以及木材及其它天然材料。例如汽车车身与车壳结构材料中已经有50%用高分子材料,下世纪将增至70%至100%。再如宇航与航空机身与机翼,减轻重量可以大大省油,因此都用高分子复合材料,从80年代的30-40%总重量,至90年代的50-60%,估计21世纪可达70-80%。
活性聚合是促使高分子化学走向新时代的基础。要进行活性聚合,引发速度要快,没有链转移与链终止,实验室测定活性聚合从三个方面下手,一是转化率与单体浓度成正比与催化剂浓度成反正;二是高分子分子量与转化率或时间成正比;三是分子量分布要窄,约为1.2左右。目前,正离子活性聚合与负离子活性聚合都已展开,络合催合聚烯烃的活性聚合所用烯土催化剂已有端倪,只有自由活性聚合还未达到应用程度。
有人说高分子化学是一门排队化学,排头要很快站出来,队员迅速排上队,面向都一样,所有队员都必需排上队,结果是每排长短都一样,也就是分子量分布为1,转化率100%。这意味着在高分子材料新时代中,有下列三个重要方面:首先是高分子的分子量概念将彻底改变,因为原来的高分子分子量都是各式各样的平均值,主要原因是因为长短不齐;其次是高分子的概念也将彻底改变。高分子决不是不易控制的长短不齐的分子组成,而是均匀高分子所组成;最后是高分子性能以及加工应用,都将因为是精密高分子而出现全新的数据、全新的性能与加工方法与用途。
所谓高分子材料主要包括塑料、橡胶与纤维三大合成材料,其中塑料占总量的80%。在塑料中占80%的是通用高分子,包括高压聚乙烯、低压聚乙烯、聚丙烯以及聚氯乙烯与聚苯乙烯。
在科学家的手中,工程塑料家族诞生了,它的成员包括能耐高温100-160摄氏度的尼龙、聚碳酸酯、聚酯及聚苯醚。到了90年代又发展更高耐热200-240摄氏度的聚醚砜、聚苯硫醚、聚醚醚酮及聚酰亚胺的所谓高温工程塑料。与此同时还有复合材料的建立与发展,例如开始用玻璃纤维的复合材料发展到用碳纤维的耐高温复合材料。
非结构高分子材料与功能高分子也获得了大发展。80年代以来高分子粘合剂与油漆涂料也都向耐高温方向发展,也就是高分子从结构向非结构材料方面发展。还有更重要的是功能高分子的多方面发展,例如利用吸附性能作为海水淡化及其它如离子交换树脂与分离膜的属于化学功能高分子;应用于光导纤维与光刻胶的属于光功能高分子;具有导电性能的电功能高分子及作为人工脏器与药物控释的医学功能高分子。因为功能高分子的兴起是80年代以来的十分重要的发展。
硅系高分子材料取代碳高分子材料,成为新一代功能材料。日本电信电话公司开发的由氧、碳、氘和硅四种元素构成的新型材料,在500摄氏度下不熔化,用它制作光器件,不会因屈折率变化而降低功能。
一些国家和地区的领导人对材料科学的基础地位认识日益深化,意识到许多行业技术上的可行性和进步基本上取决于相应材料的开发,而材料的选择关系到提高生产效率,降低成本和提高质量的问题。基于这种认识,他们加大对新材料研究的投入力度。
美国竞争力委员会把材料技术列为应予重点扶植的六十类关键技术的第一位;英国一项包括高分子材料在内的新型材料的大规模研制计划,正在实施。法国确定的IDMAT新材料研究开发计划,是11项国家计划的重点。俄罗斯最近通过的《俄罗斯联邦1996-2000年民用科技优先研究开发的专项规划》把新材料研究开发划入优先领域中;日本正在积极实施为期10年(从1991年度起)的高分子新材料研究计划。连台湾也把开发高级材料作为69项重点技术的“重点中的重点”。90年代,日本在新材料开发研究领域每年投入的费用比美国高50%,人力投入也比美国多近一倍。从1991年起,日本总共投资大约2500亿日元用于以开发革新材料为目标的10年研究计划。欧洲联盟对材料科学的投资占其第四个科研框架计划投资总额的16%,仅次于信息技术和能源技术投资,达17.07亿欧洲货币单位。
英国瑞侃公司研究所的郭卫清在旅英中国学人第3届材料科学年会提出,作为材料科学的一个重要分支,高分子材料和技术的发展尤其迅猛。高分子材料在众多工业的广泛应用已使该材料成为经济发展不可缺少的一部分。
中国高分子材料熠熠生辉
国内高分子材料的进展不断见诸报端。新华社曾报道:国家“八五”重点科技攻关项目“聚醚砜、聚醚醚酮、双马型聚酰亚胺等类树脂专用材料及其加工技术”,在成都通过由国家有关部门组成的验收委员会的验收。
聚醚砜、聚醚醚酮、双马型聚酰亚胺等特种工程塑料,是60年代发展起来的新型高分子材料。由于这类材料具有优良的综合性能,现已成为各种空间飞行器和新型运输工具实现高速、轻量、增加航程的可靠保证,也是电子电气产品实现大容量、高集成和小型化不可缺少的新材料。由四川联合大学、北京市化工研究院、东方绝缘材料厂等10个单位共同承担的这项重点课题,经过120多名科技人员五年合作攻关,不但全面完成了任务,取得27项鉴定成果。其中吉林大学吴忠文教授等研制的 “聚醚醚酮树脂”,性能达到目前国际先进水平,成本大大低于国外同类产品;大连理工大学蹇(汤去氵加钅旁)高教授等研制完成的“杂环取代联苯聚醚砜的合成”,主要经济技术指标达到国际先进水平;四川联合大学、成都飞机工业公司、东方绝缘材料厂江璐霞教授等研制的“双马型聚酰亚胺航空工装模具材料”,在国内处领先地位,达到80年代末国际水平。目前有多种产品形成了规模生产能力,提供特种工程塑料新产品15种、新材料19种、新工艺3项。
另外,新华社还曾以“我国高分子化学研究取得重大突破”为题报道一种用于家电产品的新型紫外光固化涂料――JD-1紫外光固化树脂,在湖南长沙市研制开发成功,并通过鉴定。专家们认为,它填补了国内一项空白,达到国外同类产品的先进水平。
位于长沙市东岸的湖南亚大高分子化工厂有限公司,多年来始终追踪高科技发展潮流,不断研制开发高起点、高水平、高效益的新技术,并使这些技术成果迅速转化为生产力。这个公司的科技人员在资金少、条件差的情况下,经过数千次试验,终于研制开发出JD-1紫外光固化树脂。只需在各种家电外部涂上一层紫外光固化树脂,经过一番处理,家电犹如穿上一件硬如玻璃钢、光洁似镜面的“外衣”。专家介绍,家电外表的装饰是衡量其档次的一个重要指标,这是国内外化工界多年研究的一大课题。新型紫外光固化树脂的研制成功,将使我国家电装饰跨上一个新台阶;同时结束长期进口的历史,可节约大量外汇。专家鉴定认为,这是一种污染少、节能效益好的高科技产品,具有耐冲击、耐老化、固化速度快等优点,可广泛应用于电冰箱、洗衣机、电气仪表、电讯设备和汽车、摩托车等。
一项处于国际领先水平的聚合物技术--超高分子量聚丙烯酰胺合成技术在大庆油田化工总厂研制成功。专家称,这项技术推广应用后,可使聚合物用量在减少百分之二十的情况下,大幅度提高原油采收率,每年可为油田化工企业增效5000多万元。
1995年,随着三次采油技术在大庆油田的推广应用,油田化工总厂引进法国技术生产聚丙烯酰胺,分子量达1000-1500万,使我国生产聚合物技术跨入世界先进行列。但根据聚合物驱油试验研究,分子量大于1700万的超高分子量聚合物的驱油效果更好。为了加快超高分子量聚丙烯酰胺产品的工业开发步伐,大庆油田化工总厂通过多渠道横向联合的办法,开展科技攻关。仅用三个月时间,攻关小组的14名科技人员就在工业化试验中,成功地合成了分子量达到1700万的聚丙烯酰胺,并在试生产中取得了满意效果。目前,这个厂已开始投入批量生产超高分子量聚丙烯酰胺产品。
另外,“PTC智能恒温电缆”、“多功能超强吸水保水剂”、“粉煤灰高效活化剂”等等,都是我国在高分子材料领域取得的不俗成果。还有就是我国的高分子单链单晶的研究取得国际领先的成绩:成功地制备出顺丁橡胶的单链单晶,独创性地开展了单分子链玻璃体的研究,首次观察到高分子液晶态的新的纹影结构。这都引起世界科技界的轰动。
好莱坞电影《终结者》中具有变换莫测的不死之身的未来战士给观众留下了深刻的印象,见图1。他们无坚不摧,而且破碎后能够像液体一样自然流动然后自动修复成原来的样子。科幻电影中的神奇现象在现实生活中有他对应的材料。 这就是金属玻璃(metallic glass),也称为液态金属(liquid metal)或 非晶态合金(amorphous alloy)。那什么是金属玻璃?这类材料又有什么样的优异性能呢?
金属玻璃透明吗?一般金属玻璃是不透明的(块体、普通条带),但是当厚度降到纳米级别后就变得透明了。是否透明(透射可见光)是由材料的电子结构决定的,很多晶态的绝缘体(如NaCl,氧化物、聚合物)也都是透明的。所以透明不是玻璃的本质;原子无序排列是玻璃的本质。
金属玻璃是金属吗?大部分金属玻璃体系都是由100%金属组成的合金,比如Fe,Co,Cu,Zr,Al, Ni,Mg,Zn,Ca,Yb,Ce等。但是也有好多体系包含非金属(或类金属)元素,比如Si,C,P,B等,含量可能达到20 at.%以上。但是金属玻璃都是导电的,电阻率比普通金属高1~2个数量级,具体和成分和制备条件相关。但是与普通金属的区别是金属玻璃拥有无序的原子堆积结构,这和普通金属中的原子晶格结构完全不同。这个可以通过高分辨透射电子显微镜观察到,如图二。
这种无序的原子结构决定了金属玻璃拥有很多晶态金属无法企及的优越性质,比如高强度、高弹性、高硬度、耐腐蚀、耐摩擦等等。那么金属玻璃的强度有多高呢?金属玻璃家族的屈服强度分布于从0.5GPa到6GPa的范围,而已知的铁基或钴基金属玻璃强度一般为3~6GPa。 这个数字是什么概念呢? 假如拿一个重约1.5吨的小汽车来说,如果用普通钢材支撑它,大概需要7~10根直径2毫米的钢筋,而改用铁基金属玻璃我们只需要1根就够了(如图三所示)。
那为什么“未来战士”具有自修复功能呢? 一般来说,物质有三种状态:固态、液态、气态。 固态物质形状比较稳定,而液态和气态可以自修复,正所谓“抽刀断水水更流”。 加热可以从固态转化到液态,对于一般晶态金属来说,这个转化过程称为熔化;而玻璃作为固体的一种,加热也可以转化为液态,但是这个过程称为玻璃化转变。对于同一物质的玻璃态和晶态来说(比如硅),其玻璃转变温度大约是熔化温度的0.5~0.6倍(如图四所示)。因此,和晶态相比,玻璃态更容易转化成液态从而发生自愈合。
除了这两方面性质,金属玻璃还有很多优异的性能,比如优异的软磁性能,抗腐蚀能力,高弹性等等。虽然越来越多的表观性质被大家所认识,但是仍然有很多性质还没有得到开发利用。与这些性能相关的很多基本物理问题依然不清楚。需要继续深入研究。
石油有着“黑色黄金”、“现代工业的血液”的美誉,在现代工业及能源中扮演着重要的角色。然而,近些年随着海洋资源开采与运输的日趋频繁,海洋石油泄漏等突发事件发生频率越来越高,由此带来的海洋环境污染与经济损失也越来越严重,如“埃克森•瓦尔迪兹号”油轮泄漏、美国墨西哥湾原油泄漏、蓬莱油田溢油等事故不仅造成了巨大的经济损失而且对海洋生态环境也造成严重的破坏。
海洋溢油应急处理方法
图1 海洋溢油应急处理方法及主要问题
溢油事件发生后,一般采取先围控,限制溢油的扩散,然后通过物理、化学、生物等方法进行处理(图1)。
物理方法中利用吸附材料对溢油进行吸附、回收与再利用,是溢油处置的有效方法。溢油吸附材料一般为多孔亲油材料,通过毛细作用力可将溢油吸附并存储在材料的孔洞中,经过离心、挤压等外力可回收孔洞中吸附的溢油。
常用的吸附材料主要有:无机多孔吸附材料,如珍珠岩、黏土、沸石;天然有机材料,如木纤维、秸秆、木屑;合成吸附材料,聚丙烯纤维毡、聚氨酯泡沫、聚苯乙烯纤维等。由于溢油容易扩散、挥发,且在海浪作用下容易乳化,因此,用于溢油处置的吸附材料必须具备吸油速率快、吸油倍率高、吸水率低等特征。
但是,这些传统的吸附材料油水选择性差,吸油的过程中吸水;对高粘度油吸油速率慢,效率低,制约了吸附材料在溢油应急中的应用。
如何提高吸附材料油水选择性
图2 固体表面接触角示意图
理想的溢油吸附材料应该只吸油不吸水,如何实现吸附材料只吸油不吸水,还要从固体表面润湿性谈起。
我们利用接触角θ来评价液体能否在固体表面铺展。在空气中,将一液滴置于理想固体表面(固体表面绝对光滑、性质均一),接触角θ(图2)是固-气-液这个系统能量最低时,固-气界面与液-气界面之间所形成的夹角,1805年由英国物理学家T.Young 提出。可以根据液体接触角判断液体在固体表面的润湿性,通常以90°为界,θ>90°为疏液(液体不能在固体表面自发铺展),θ<90°为亲液(液体能够在固体表面自发铺展)。
所以吸附材料不吸水只吸油需要尽可能大的提高材料对水的接触角而降低对油的接触角,即提高材料的疏水性与亲油性。如何设计这种高选择性的吸附材料呢?
海洋超疏水-超亲油油水分离材料设计
图3 鹅与鸭子羽毛的结构
图4 超疏水表面示意图
近年来兴起的仿生技术为溢油处置吸附材料的发展提供了新思路。自然界中如鸭子、鹅等的羽毛遇水而不粘水但很容易粘油,因为这些动物羽毛表面具有独特的微纳米结构(图3)及低表面能分子。
一方面低表面能分子与水的相互作用力非常低,使得水滴在低表面能分子构成的表面上趋于收缩成球状;另一方面微纳米结构可以困缚表面空气形成空气层(图4),降低固体表面与水的接触面积。在微纳米结构与低表面能分子的协同作用下,水滴在这个表面接触角大于150°并且在很小的倾斜角度(小于10°)下便可以滚动,这就是所说的超疏水状态。而由于油的表面张力(γlv = 20-30 mNm-1)远小于水的表面张力(γlv = 72.1 mN m-1),因而能够自发润湿众多表面表现出超亲油状态(油接触角小于10°)。
因此,通过表面微纳结构的设计和低表面处理,可有效提高吸油材料吸油、憎水性,同时由于表面微纳结构导致的毛细作用力,使得其对油层的吸附能力大大增强。
海洋超疏水-超亲油油水分离材料研究及规模化生产
图5 超疏水-超亲油溢油吸附材料及规模化生产
日前,中国科学院宁波材料技术与工程研究所海洋环境材料团队研制了系列超疏水-超亲油材料,基于这些材料开发新型智能溢油应急装置。
通过对材料的孔径控制、结构设计及表面能调控,研制了超疏水-超亲油金属和高分子材料,分别实现对水上原油、重油、轻油、柴油、汽油、有机化学液体及水下有机化学液体等的高效吸附与回收。此外,为适应苛刻的海洋环境,研制了高耐蚀涂层。
目前,相关技术及生产线已经转移转化,在上海奉贤、山东东营建立了两个生产基地,形成日产60000平米生产规模。基于本技术开发了超疏水吸油毡材料、超疏水三维织物材料、超疏水网材料、高性能围油栏材料、水下有机物吸附材料等系列产品。
海洋超浸润油水分离智能装备系统
图6 海洋超浸润油水分离智能装备系统示意图
基于研制的吸油网和吸油多孔材料,海洋环境材料团队正在联合上海北斗产业园区相关企业开发5万平方米的智能海洋溢油应急装备系统。
该智能溢油应急系统能够利用北斗导航系统和无人机,通过溢油海域图像处理系统检测溢油事件。当发现溢油时,系统会选择相应溢油回收装置,并自动指挥无人船及溢油回收装置前往溢油事故地点,进行海域溢油事故的处理。由于亲油疏水材料的超疏水特性,其在水面中拖行时具有极低的阻力,因此该系统采用两艘无人船将吸附材料高速拖行至溢油事故地点。
吸附材料内置仿生吸油管道、网状结构体、管道泵、两级提纯系统、在线油含量检测系统。材料吸附油渍后,通过管道泵,逐级进入提纯储油囊,利用储油囊中的超疏油-超亲水材料,对油进行逐级分离与提纯,最后运至储油船,吸附材料外层采用网状柔性纤维结构,防止波浪打散或损坏材料,在线监测装置对吸油后的海水进行在线检查,检查海域水质是否达标,如果海域水质不达标,系统将再次进行清理。
该研究成果有望在溢油事件发生时实现溢油的快速、高效处理与回收。
转自中科院之声
据外媒报道,正如许多不锈钢面板冰箱的拥有者所知,不锈钢上的指纹往往非常明显。然而,新的透明涂层可以以三种方式帮助减少指纹。这实际上是一种清漆,这种“溶胶/凝胶纳米漆”由德国的FEW化学品公司开发,并由弗劳恩霍夫材料与系统微结构研究所的团队进行评估。
首先,它是超疏水和疏油的。换句话说,它是防水和防油的,限制了手指油脂最初粘在它上面的程度。此外,它含有微小颗粒,使涂层表面具有微观粗糙的纹理,由微小的“峰谷”组成。其结果是,任何脂肪并坚持只附着于“峰”,未达到下面的“谷”-所以有较少的接触面积。
最后,清漆的折射率与手指油脂的折射率相同。这意味着无论光线是打击涂层表面的清洁部分还是涂有脂肪的部分,该光线都以相同的方式反射,因此指纹区域具有与清洁区域相同的外观。
Fraunhofer研究人员目前正在开发各种版本清漆的测试系统,其中将指尖状印章浸入与皮肤油成分相似的溶液中,然后压在涂层钢样品上。然后使用光谱和光学技术的组合来自动评估这些样品中剩余多少溶液,以及它的可见程度。
研究人员希望清漆能够在2020年年底之前投入大规模生产。
以上编译内容转自:CNBETA仅供参考学习。
潮湿、腐蚀、进水是造成电子产品寿命降低或损坏的重要因素,在电子产品表面涂敷防护涂层,是提高电子产品使用寿命的重要方法之一。
目前大多数电子产品采用三防漆和派瑞林涂层实现防水与防护,然而由于三防漆和派瑞林涂层相对较厚,涂敷于电子产品表面后影响产品的外观、导电性、散热性和信号传输性。因此如何利用纳米级别涂层替代三防漆和派瑞林,在保证防水、防护性能的同时,尽量减少其对产品的外观、导电性、散热性和信号传输性的影响,是电子产品防水涂层研发过程中需要解决的关键技术问题。
中国科学院宁波材料工程与技术研究所与江苏菲沃泰纳米科技有限公司于2016年6月开始合作,并签订技术开发合同,组建了以曾志翔研究员(中科院青年创新促进会会员)、王刚博士、宗坚(菲沃泰)等成员为主的研发团队,联合开展低温等离子体纳米涂层装备与关键技术研究。经过两年的合作与努力,研究团队在设备方面攻克了全自动一体化设计与在线监控技术,流场与温度场均匀性控制技术,行星台架自适应旋转技术,等离子体场、电场、化学场的优化融合技术系列关键难点,开发了FT-X系列低温等离子体纳米涂层制备设备,解决了涂层生产效率、质量、均匀性、成品率及性价比等方面存在的问题。在纳米涂层工艺上攻克了单体功能团合成与调控技术和涂层多尺度结构控制技术,构建了多尺度梯度纳米涂层体系,解决了防水、防护与散热、透波性、导通性的矛盾。根据客户要求,开发了20nm-T系列、100nm-S系列和200nm-G系列以及400nm-Z系列防水纳米涂层,分别实现了电子产品IPX3级、IPX5级、IPX7级、和客户自定义级防水,并实现量产。目前技术在华为、Vivo、小米、Oppo等高端手机及无人机、汽车、海洋工程等电子产品中广泛应用,同时在苹果、三星等国际公司进行量产可行性论证。
水泡手机演示
该研究成果突破了国外技术垄断,形成了具有自主知识产权的系列技术。相关技术综合指标领先国内外同类企业,达到国际先进水平,在电子产品防水涂层领域市场占有量稳居全国以及全球第一,为客户节约了大量生产成本和售后服务成本。
不忘初心,牢记使命。总书记曾指出:“广大科技工作者要把论文写在祖国的大地上,把科技成果应用在实现现代化的伟大事业中”。中科院宁波材料所始终以“推进技术进步、促进社会发展”为使命,和江苏菲沃泰纳米科技有限公司在该领域的产学研合作,正是“论文写在祖国大地上”的具体体现。(表面事业部 曾志翔)
本文转自:宁波材料所,仅供参考
■本报记者 沈春蕾
潮湿、腐蚀、进水是造成电子产品寿命降低或损坏的主要原因。在电子产品表面涂敷防护涂层,是提高电子产品使用寿命的重要方法之一。目前,大多数电子产品采用三防漆和派瑞林涂层实现防水与防护。因相对较厚,涂敷于电子产品表面后,影响产品信号传输性等。因此,电子产品如何防水防护一直是摆在科学家面前的难题。
日前,记者从中科院宁波材料所获悉,该所海洋环境材料研究团队攻克了电子产品低温等离子体防水涂层关键技术,相关产品已在华为、vivo、小米、OPPO等高端手机与无人机、汽车、海洋工程等电子产品中广泛应用。
海洋环境材料研究团队负责人、中科院宁波材料所研究员曾志翔告诉《中国科学报》记者:“我们团队与江苏菲沃泰纳米科技有限公司联合开发了一系列防水纳米涂层产品,现居国内电子产品防水涂层领域市场占有量的首位,并在苹果、三星等国际企业进行量产可行性论证。”
从亲油疏水材料说起
曾志翔告诉记者,海洋环境材料研究团队由薛群基院士取名,团队早前完成了高性能亲油疏水材料的研发。
随着海洋经济发展,海洋运输、开采过程中的石油泄漏等突发事件频繁发生。在货轮靠岸时,船舶压舱水、洗舱水、机舱污水的排放也会导致大量含油废水产生。这些含油污水给海洋生态环境带来了巨大危害。
传统溢油应急清理方法存在诸多不足之处。比如,传统吸附材料吸油的同时也吸水,回收油较为困难;对油污处理速度较慢,效率较低;残留的薄油层分散到水里,形成乳化油,严重影响海洋生物的生长。
为此,宁波材料所组建了海洋环境材料研究团队,团队先后研发了高性能亲油疏水材料、超疏水吸油毡材料、高性能围油栏材料等系列海洋溢油回收产品,相继在胜利油田、中石化、中船重工等相关企业储备与广泛应用。
正是有了亲油疏水材料的技术积累,团队开发防水材料也就水到渠成。曾志翔指出,这两种材料都是通过调控涂层的微结构和表面能来实现的,其中亲油疏水材料是通过液相方法,防水材料是通过真空气相方法,因为大多数电子产品是不能通过溶液液体处理的。
企业嗅商机求合作
曾志翔说:“如何运用纳米级别涂层替代传统产品,在保证防水、防护同时,尽量减少其影响产品外观、导电性、散热性和信号传输性,是需解决的技术难题。”
2016年,一家来自江苏的企业敏锐地嗅到了电子产品防水涂层市场的商机,多方打听来到宁波材料所,希望能与海洋环境材料研究团队进行合作,开发低温等离子体纳米涂层装备与关键技术。
在设备方面,海洋环境材料研究团队攻克了全自动一体化设计与在线监控技术,等离子体场、电场、化学场的优化融合技术系列等关键难点,开发了FT-X系列低温等离子体纳米涂层制备设备,破解了涂层生产效率、质量、均匀性、成品率与性价比等方面难题。
在纳米涂层工艺上,团队攻克了单体功能团合成与调控技术和涂层多尺度结构控制技术,构建了多尺度梯度纳米涂层体系,解决了防水、防护与散热、透波性、导通性间的矛盾。
经过两年努力,海洋环境材料研究团队开发了一系列防水纳米涂层,分别实现了电子产品IPX3级、IPX5级、IPX7级和客户自定义级防水,并实现量产。
技术领先于国内外同行
经过测试,电子产品穿上海洋环境材料研究团队设计的“防水衣”,在水深1米的情况下浸泡1小时,捞上来后仍能正常使用。
据悉,当前电子产品主要采用结构防水和涂层防水两种方式,通常结构防水可以达到IPX7级,但是成本较高,工艺复杂;涂层防水成本较低,但是通常防水级别相对较低,很难达到IPX7级。
曾志翔介绍道:“我们通过工艺和设备的持续创新,用涂层的方法,低成本实现电子产品的IPX7级以上防水效果。相关技术综合指标领先国内外同类企业,突破了国外技术垄断,形成了具有自主知识产权的系列技术,已为企业节约了大量生产和售后服务成本。”
团队对比国内外企业的一些同类产品后发现,生产低温等离子体纳米涂层的操作工艺简便、自动化程度高、只需要2个工人即能管理一条日产数万个产品的生产线;使用该涂层的电子产品防水性好,无须增加密封件,仅通过涂层即能实现IPX7级防水,“目前未见国内外其他科研单位和企业的量产技术达到这个水平”。曾志翔说。
另外通过密封件实现的防水技术,当产品摔落几次后,密封件难免出现缝隙,导致防水等级降低。曾志翔说:“我们的涂层防水产品,从1米高处摔落18次后仍然能保持防水性能不降低;涂层产品经过紫外老化测试100小时后,仍然能保持原有防水性能不降低。”
当前,低温等离子体纳米涂层产品已占国内电子产品防水涂层市场的70%,曾志翔认为这项研究本身就是以市场为导向,后续还会采纳市场反馈,进一步投入研发,解决客户提出的问题。“电子产品更新换代非常快,这要求技术不断推陈出新,希望能满足更多客户的需求。”
(原文刊登于2018年7月30日《中国科学报》第6版)
【原文链接】http://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2018/7/337579.shtm?id=337579