热响应性自挤压的智能海绵用于快速吸附液体
液体的吸附和循环使用在许多工业和环境应用中发挥着至关重要的作用，如油污的清理和回收、止血、宇航员的尿液回收等。虽然已经开发出了许多液体吸附材料，但如何既能快速吸附，又能高效回收，尤其是对于原油等粘性液体来说，仍然是一个巨大的挑战。采用定向冻结法制备了一种具有定向孔道结构的智能聚氨酯多孔海绵。与普通的无规多孔结构海绵相比，所制备的智能海绵具有更低的弯曲度和更强的表面张力(“弯曲效应”)，具有更大的吸液速度。更重要的是，当海绵被加热时，由于热响应形状记忆效应，吸收的液体可以被慢慢地挤出。这种具有良好定向多孔结构和热响应性自挤压能力的智能海绵在有效吸附和回收液体方面具有很大的潜力。
液体的吸收和回收一直是许多工业和环境应用的基础，如油污的清理和恢复、止血、宇航员尿液的回收等。[1-3] 理想的液体吸收材料除了吸收能力大、吸收速度快外，还应便于液体的循环利用。为此，在过去的十年中，人们开发了各种材料和系统，包括碳基气凝胶、[4-12]多孔氮化硼纳米片、[13]膜、[14,15]超疏水三聚氰胺甲醛海绵和[16-18]硅气凝胶。[19]有报道称，轻质碳基气凝胶可以吸收高容量的液体（根据液体粘度约为其自身重量的215-913倍）。[9]与常规液体不同，粘性液体本质上很难传播到吸收材料的内部孔隙中，通常导致吸收速度和容量低。[7]因此，为了连续不断地从油/水混合物中收集粘稠原油，通常需要将海绵与泵送装置相结合，以提供外部驱动力。[20]最近，一种石墨烯包裹的海绵被用于高吸收速度的粘性原油的清理。[7]当施加电压时，石墨烯包裹海绵的焦耳热使原油温度升高，原油粘度显著降低，从而增大了原油在海绵孔隙中的扩散系数，从而加快了吸收速度。在所有这些研究中，要么是电毛细管自吸[21]或泵送装置[22-25]需要收集和回收液体总是消耗大量的能量。综上所述，近年来，具有刺激响应特性的智能吸液材料越来越受到人们的关注,即便是普通多孔材料。[26-28]虽然已经取得了很大的进展，然而，如何高效、大容量、低成本、节能地有效吸收液体，特别是对原油等粘性液体的吸收，仍然是一个巨大的挑战。
本文报道了一种通过定向冻结法制备的具有定向孔道的智能多孔聚氨酯海绵。与普通的无规多孔结构海绵相比，所制备的海绵弯曲度更低，毛细管效应更强，液体流动阻力更小，吸液速度更快。这种增强在粘性液体中更为明显。此外，在加热海绵时，可以利用形状记忆效应将吸收的液体挤出再循环。通过强调多孔结构的作用(“弯曲效应”)，我们的研究为设计和制造液体的高效吸收和回收的智能材料提供了新的视角。
图1a为有规则孔道的海绵和无规孔海绵的示意图。相对于多孔散乱的海绵，孔道规则排列的海绵弯曲度更低，毛细管效应更强，有利于快速吸收液体。在本研究中，我们以聚氨酯海绵作为概念性证明，以证明多孔结构对其吸液行为的影响。采用冰模板法制备了不同多孔结构的聚氨酯海绵。[4-12]简而言之，将聚氨酯水溶液以不同的溶解速率定向冷冻，然后冷冻干燥。冻结冰晶沿温度梯度定向生长，作为海绵内部最终多孔结构的模板。尽管有一些使用定向冻结来制备具有定向孔道的石墨烯泡沫的例子，但这种技术很少在聚合海绵中使用。[35-37]所有的聚氨酯海绵都是用相同的聚氨酯水溶液(浓度为10%(w/v))制备的（图S1）。
图1b中扫描电子显微镜（SEM）的纵断面图像显示了五种不同海绵具有代表性的多孔结构:从左到右，智能海绵具有分别在5、3和1℃ min-1定向冻结制备的定向孔道;其次是带有随机孔径的智能和商用海绵。冻结速度在冻结过程中小心地控制，以调整海绵的多孔结构。由于冰晶生长速度是产生定向孔道的关键，因此在每个定向冻结过程中，基板温度都被控制在恒定的速率下降。[38-40]从SEM图像可以看出，采用定向冻结法制备的海绵具有排列良好的多孔结构。正如我们所研究的那样，更多的冰晶以更高的冷却速率成核，从而产生更多的孔道和较小的孔道宽度。这主要是由于冻结速度对冰的成核和生长的影响。将聚脲溶液直接放入-90℃的乙醇浴中进行各向同性冷冻，制备无规多孔海绵。商用聚氨酯海绵也表现为无规多孔结构。
图1. 不同海绵的吸液特性及多孔结构。a)有规则孔道的海绵与无规则孔道的海绵之间的图解比较。管道规整的海绵弯曲度较低，具有较强的“弯曲效应”，可快速吸收液体。b)五种不同多孔结构海绵的SEM图。c)不同孔隙结构海绵的孔隙率。d)不同孔隙结构海绵的孔道宽度/孔径。
图1c总结了不同多孔结构海绵的孔隙率。制备的智能聚氨酯海绵的孔隙率约为75%，低于商业聚氨酯海绵的约91%。所制备的智能聚氨酯海绵的密度(0.17-0.19 g cm-3)高于商品聚氨酯海绵(asymp;0.07 g cm-3)(图S2)。图1d总结了不同多孔结构海绵的孔道宽度(孔隙大小)，这是根据图1b的SEM图像测量的。当冷却速率从5℃ min-1降低到1℃ min-1时，平均孔道宽度分别从51.7plusmn;3.9 mu;m增加到155.5plusmn;17.7 mu;m。无规孔智能海绵的平均孔径为63.7plusmn;17.9 mu;m，无规孔商业海绵的平均孔径为101.0plusmn;11.3 mu;m。并对海绵的压缩性能和润湿性进行了表征（附图S3和S4）。
由于智能海绵排列的孔道结构和对各种液体的优异润湿性（图S4），其在快速吸收液体方面有很大的潜力。在图2a中，我们比较了5种不同多孔结构的海绵吸收液体石蜡的情况（视频S1）。从上到下分别显示了规则孔道的智能海绵（孔道宽度:asymp;150，asymp;100，asymp;50mu;m），无规孔道的智能海绵和商用海绵。在吸液过程中拍摄了一系列光学图像，在吸液时间分别为0、3、5、10、20 s时，典型图像如图2a所示。根据光学图像观察和计算吸收速度。用天平测量吸收液体的总重量（图S5）。不同海绵吸收液体石蜡的高度随时间的变化如图2b所示。
以上是毕业论文文献综述，课题毕业论文、任务书、外文翻译、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
