聚氨酯海绵的乳液聚合法疏水改性及其选择性油水分离性能研究

《RSC Advances》：Hydrophobic modification of a polyurethane sponge via emulsion polymerization for selective oil–water separation

　　

传统聚氨酯（Polyurethane, PU）海绵因亲水亲油性兼具，导致油吸收选择性较差，限制了其在溢油清理中的应用。为此，研究人员采用简便、低成本且环境友好的乳液聚合策略对PU海绵表面进行功能化修饰，形成均匀涂层，显著提升其油吸收性能。通过傅里叶变换红外光谱（Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FTIR）、扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）及接触角测量技术，分别对改性海绵的化学结构、表面形貌及润湿性进行了表征。研究系统优化了单体用量、水/乙醇比例以及交联剂二乙烯基苯（Divinylbenzene, DVB）浓度等关键工艺参数。结果表明，改性后海绵的水接触角由约85°提升至154°，表现出强疏水性。该材料在油/水及有机溶剂/水体系中均表现出优异的选择性，饱和状态下可高效去除各类油品及有机液体，吸收容量可达自身质量的21至75倍，同时抑制约94%的水分摄入。此外，其对痕量油的分离效率超过98.4%，并在15次重复使用后仍保持较高的吸收能力。研究证明，这种简易的表面改性策略可制备低成本、高性能且环境友好的海绵材料，在溢油治理领域具有重要应用潜力。

研究背景方面，全球范围内频繁的船舶事故、海上钻井活动以及地震、飓风等自然灾害导致大量海洋溢油事件，对生态环境和人类健康造成严重威胁。现有油水分离材料如矿物吸附剂、化学分散剂、聚合物、纤维织物、金属网及碳基材料等，普遍存在分离效率低、吸收能力不足、制备工艺复杂、易造成二次污染及机械强度差等问题。聚氨酯（PU）海绵作为一种三维轻质开孔多孔材料，具备良好的吸油潜力，但其天然的两亲性使其无法单独实现油水选择性分离。尽管已有多种疏水改性策略被提出，例如引入含氟硅烷或纳米颗粒，但往往依赖昂贵设备、有毒有机溶剂及氟化化学品，限制了实际应用的环境友好性。因此，开发一种简单、低成本且可持续的改性方法成为亟待解决的关键科学问题。

研究人员采用两步半连续乳液聚合法，在PU海绵表面依次构建聚苯乙烯（Polystyrene, PSt）与聚十二烷基甲基丙烯酸酯（Polylauryl Methacrylate, PLMA）双层涂层。该方法以水-乙醇混合体系为分散介质，避免了传统有毒溶剂的使用，并利用PSt层改善疏水性以促进PLMA的沉积。通过调控单体配比、交联剂含量及溶剂比例，实现了疏水性能的优化。

关键技术方法包括：采用FTIR分析化学结构变化，SEM观察表面微观形貌，静态接触角测量评估润湿性能，以及重力法测试油吸收容量与分离效率。样品来源于市售商用PU海绵，油品取自本地市场，所有实验均在室温下进行。

研究结果部分，在“超疏水与超亲油PU海绵的制备”中，研究人员证实两步乳液聚合可在PU骨架表面形成均匀的双层聚合物涂层，PSt层通过物理锚定、疏水相互作用及少量共价键接枝实现牢固附着，PLMA层则通过种子聚合与链缠结进一步增强疏水性。在“改性PU海绵的表征”中，FTIR光谱显示特征峰位移与强度变化，证实PSt与PLMA的成功包覆；SEM图像表明改性未破坏三维多孔结构，且表面粗糙度显著增加；接触角测试显示改性后水接触角达154°±2.0°，油接触角为0°，体现超疏水/超亲油特性。在“反应条件对接触角的影响”中，研究发现苯乙烯用量1.0 g、LMA用量0.2 g、DVB用量0.005 g及水/乙醇质量比15:15时疏水性能最优，过量或不足均会降低接触角。在“选择性油水分离”中，改性海绵可快速选择性吸附上层轻质油与下层重质有机溶剂，并可通过机械挤压实现油回收与重复使用。在“质量吸收容量”中，最优样品（S-18）对氯仿的吸收容量高达75 g g^-1，柴油最低为21 g g^-1，吸水率降至0.5 g g^-1，较未改性海绵下降约94%。在“油水体系分离效率”中，多种油水体系的分离效率均超过98.4%，处理后水中残留油量低于90 ppm。在“可重用性”中，经过15次吸附-挤压循环，吸收容量保持稳定，且海绵在10次压缩后仍能恢复90%以上的初始高度，显示出优异的机械稳定性。

讨论与结论部分指出，本研究提出的乳液聚合改性策略兼具操作简便、成本低廉与环境友好等优势，成功赋予PU海绵优异的超疏水与超亲油性能，在油水分离与溢油应急治理中具有重要应用前景。该成果发表于《RSC Advances》，为开发高性能油吸附材料提供了新的技术路径。