仿植物卷须结构微纳米螺旋纤维的可控制备及其在油污吸附中的应用研究

Oil spillage on water surfaces not only resulted in enormous energy loss but also caused serious environmental pollution, which did great harms to human health. To overcome the defect and shortcomings existed in current oil sorption materials, this work will design and fabricate the micro- and/or nanoscaled helical fibers, possessing the similar structures of plant tendrils, inspired by the characteristics and formation of plant tendrils. The helical fibers not only exhibit helical structure but also show porous interior, which can improve the oil sorption capacity a lot with reusability. In this work, we will controllably fabricate the biomimetic helical fibers with hierarchical structures via electrospinning the polymer blends with different Young's modulus by using the altered spinnerets. We will investigate the effects of polymer characteristics, solution properties, and processing parameters on the structures of helical fibers, establish the regulation mechanism of biomimetic helical fibers as well as the boundary conditions of their formation, clarify the relationship between the fiber structures and oil sorption properties, reveal the oil sorption mechanism and dynamic process, to obtain reusable oil sorbent materials with high sorption capacity. The implementation of this proposal will advance the development of oil sorption materials, providing an important measure for coping with oil spills, which exhibits the important theory significance and practical application value.

水面溢油不仅造成巨大的能源浪费，而且严重污染环境，危害人类健康。针对当前使用的水面油污吸附材料中存在的缺陷和不足，本研究基于植物卷须螺旋结构的特点和形成机理，拟设计和制备具有类似植物卷须结构的微纳米螺旋纤维，该纤维不仅具有螺旋结构，其内部还具有多孔结构，能够大幅度提高纤维膜的吸油量，同时还具有可重复使用性。本项目以静电纺丝技术为加工手段，通过喷丝头结构改变与多元不同弹性模量聚合物混合纺丝的方法，开展具有微米多级结构的仿植物卷须螺旋纤维的设计与可控制备研究，探索聚合物本体特征、溶液性质和加工参数对螺旋纤维结构的影响规律，确立螺旋纤维成型的边界条件，建立纤维结构调控机制，明晰螺旋纤维结构与油污吸附性能之间的构效关系，揭示螺旋纤维的吸油机理及动力学过程，获得高吸油可重复使用吸油纤维材料。项目的实施将会促进吸油材料的发展，为解决水面油污治理提供一种重要途径，具有重要的理论意义和实际应用价值。

石油是人类社会赖以生存发展的重要能源物质，在其开采、运输、储存和利用过程中，经常会发生水面漏油（包括其衍生产品）事故，造成极为严重的环境污染，破坏生态系统，恶化自然环境，危害人体健。因而泄漏到水面上的油污必须及时清除。在水面油污治理的众多方法中，吸附回收法是一种较为经济且实用的方法，越来越受到关注，因此，研究和制备性能优异的水面油污吸材料对治理溢油污染，节约能源，保护生态环境具有重要的现实意义。本项目以静电纺丝技术为加工手段，通过喷丝头结构改变与多元不同弹性模量聚合物混合纺丝的方法，开展了一系列研究工作，主要包括（1）仿植物卷须结构螺旋纤维的制备、成型及结构调控研究；（2）仿卷须螺旋纤维吸油性能研究；（3）多级结构纤维集合体的吸油性能、吸油动力学过程及吸附机理研究。围绕上述研究内容，阐明了二元聚合物体系下的螺旋纤维结构形成与加工参数、聚合物本体结构之间的关系；在明确植物卷须结构的基础上，通过聚合物基体选择与加工参数调控，实现仿植物卷须结构螺旋纤维的制备，与自然界的植物卷须十分相似，并阐明了其成型机理；还探讨了形成卷须螺旋结构的边界条件，获得了定性调控的方法，该种复合螺旋纤维集合体对原油具有较快的吸附速率，较好的保持能力。此外，还得到了多级微纳米梯度结构的纤维集合体的结构与油污吸附性能的关系，制备出了力学性能较好的微纳米多级结构多孔纤维；获得了高压静电场下高分子液体射流运动轨迹调控与其成型后纤维膜力学性能之间的关系。项目的实施将会促进吸油材料的发展，为解决水面油污治理提供一种重要途径，具有重要的理论意义和实际应用价值。