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不做“实验室玩具”:可量产、可商业应用的仿生水凝胶  

2017-03-02 13:03:41|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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水凝胶这种高分子材料想必大家都不陌生,在生活中有着多种迥然不同的应用,比如纸尿裤、隐形眼镜甚至医用材料以及载药系统等。如果不是聚合物工业生产的诸多问题,例如成本高、量产困难或是环境污染等问题,水凝胶的应用将更为广泛。另外,对于水凝胶材料的研究如果不能推动最终的实际应用,那么发再好的论文、讲再精彩的故事,也逃不过“实验室玩具”的诟病。在近期的PNAS 中,美国斯坦福大学Eric Appel麻省理工学院(MIT)的Robert Langer等科学家报道了一种可以轻松量产、低成本、安全的水凝胶材料,并将其成功用于食品生产企业的管道清洁,甚至用于扑灭野外火灾。

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Eric Appel(左)和Robert Langer。图片来源:Stanford University / MIT

这种水凝胶含有两种常见且廉价易得的组分,一种是可从木屑、农业废弃物中获得的纤维素聚合物,包括羟甲基纤维素(HEC)和甲基纤维素(MC),另一种就是可由沙子生产的水凝胶二氧化硅粒子(CSPs)。两种原料混合便可以生成水凝胶,组分之间不依赖于共价键作用,而是靠聚合物-纳米粒子的非共价键作用。生产规模可以很容易地扩大,从实验室的0.5毫升到15升,甚至更大。通过调节这两种组分的比例,可以得到一系列机械性能迥异的水凝胶。作者发现纤维素聚合物HEC、MC和二氧化硅粒子的比例为4:1:25时可以获得具有最佳机械性能(剪切变稀和自我修复)的水凝胶,并且可维持至少一个星期,大规模生产时性能不变。

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图1. 纤维素聚合物(HEC、MC)和二氧化硅粒子(CSPs)生成水凝胶的过程。图片来源:PNAS

工业管道清洁

美国每年约产10亿加仑的葡萄酒,但在生产过程中约有2%的损失,其中绝大部分来自于管道输送过程。葡萄酒生产过程(压汁、发酵、陈化、灌装等)需要用到各种管道,各步骤的产品总会有部分残留在管道中,无法合理利用,而且还需要耗费大量的水来进行清洗。因此作者和加州一家红酒生产企业合作,用这种无毒无味的水凝胶作为清洁剂来进行管道清理,效果很好。不仅如此,这种水凝胶和葡萄汁以及红酒不互溶,还可以起到回收产品的功能。

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图2. 水凝胶材料用于红酒生产管道清洁和产品回收。图片来源:PNAS

扑灭野外火灾

现代野外灭火材料主要是利用飞机从高空喷洒阻燃剂和水的混合物,北美野外火灾的频率很高,因此对于这种阻燃剂的需求很大。但是这种方法的缺点就是容易污染地下水,并且颗粒小容易被风吹散,被水冲走,必须从低空喷洒。作者团队为了提高灭火效率,将他们发明的水凝胶用做载体与阻燃剂结合在一起,结果表明这种新的灭火材料可以让阻燃剂的存在时间更长,并且不易被风吹散,雨水也不易将其冲走,可以从高空进行喷洒而不影响其效率。

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图3. 水凝胶用于野外灭火。图片来源:PNAS

Appel和Langer等人现在正在对他们的水凝胶材料和生产过程进行更多的测试来提高其商业应用价值。与此同时,他们也在研究新的配方以扩大应用范围,比如像化妆品中的添加剂、润滑剂等等,别忘了,Langer可是这方面的专家

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