γ 辐照改性 PVA 气凝胶：开启油水分离材料新征程

为解决化学交联剂的毒性问题，马来西亚国立大学的研究人员开展 γ 辐照制备硅烷改性 PVA 气凝胶的研究，得出 30 kGy 辐照剂量最优等结果，该成果为油水分离材料创新提供方向。

　　在环保浪潮的推动下，新型绿色材料的研发成为科研领域的热门话题。其中，聚合物材料在众多行业中有着广泛应用，可传统聚合过程却面临着严峻挑战。以聚乙烯醇（PVA）为例，它在水凝胶、气凝胶、薄膜及共混物等多种形式下，凭借自身出色的物理化学性质，在各个工业领域备受青睐，尤其是 PVA 气凝胶和水凝胶，作为超亲水和超疏水材料潜力巨大，在分离和净化领域大显身手，比如去除纳米颗粒、重金属离子，以及进行油水分离等。

然而，传统 PVA 聚合过程中常用的化学交联剂，如环氧氯丙烷、戊二醛、乙二醛和硼酸等，虽然能提升聚合物的耐水性，但它们具有危险性和毒性，就像隐藏在材料中的 “定时炸弹”，不仅在生产过程中威胁操作人员的健康，在材料使用和废弃后，还会对环境造成污染，成为制约 PVA 材料进一步发展的瓶颈。

为了攻克这一难题，马来西亚国立大学（National University of Malaysia）的研究人员 Hasan Safar、Ishak Ahmad 等人踏上了探索之旅。他们将目光投向了 γ 辐照技术，这种由人工放射性核素或天然放射性同位素产生的辐照方式，无需交联剂、催化剂或引发剂，是一种可持续的材料制备和改性方法，就像给材料制造带来了一股绿色清风。研究团队利用 γ 辐照对 PVA 进行聚合，随后通过化学气相沉积（CVD）技术，让甲基三氯硅烷在聚合物表面发生硅烷化反应，成功制备出了疏水的硅烷改性 PVA 气凝胶。他们还深入研究了这些气凝胶的热行为、形态、水接触角等性能，力求全面了解这种新型材料。

最终，研究人员取得了令人瞩目的成果。他们发现，30 kGy 的 γ 辐照剂量是制备 PVA 气凝胶的最佳选择。在这个剂量下，气凝胶展现出高达 139.0±3.0° 的水接触角，疏水性能优异；同时，热稳定性也达到最高，最大分解温度为 185°C。从结构上看，更高的辐射剂量会导致分子团聚，让气凝胶表面变得粗糙，而 30 kGy 辐照制备的气凝胶拥有理想的表面形貌。这些发现意味着疏水 PVA 气凝胶在油水分离和处理领域极具应用潜力，有望成为该领域的 “明星材料”，推动相关行业的绿色发展。这一研究成果发表在Heliyon期刊上，为材料科学领域注入了新的活力。

在这项研究中，研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：首先是 γ 辐照技术，在 Gammacell 220 辐照装置中，对不同的 PVA 溶液样本进行不同剂量的 γ 射线辐照处理。接着是化学气相沉积（CVD）技术，通过该技术让甲基三氯硅烷在 PVA 气凝胶表面反应，实现硅烷化。另外，还利用了多种表征技术，如用傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析气凝胶的化学结构；用场发射扫描电子显微镜（FESEM）和无限聚焦显微镜观察气凝胶的表面形貌和粗糙度；采用接触角测量仪测定水接触角；运用同步热分析（STA）技术研究气凝胶的热性能 。

下面来详细看看研究结果。

• FTIR 分析：通过对不同 γ 辐照剂量制备的气凝胶进行 FTIR 分析，研究人员发现，3500 - 3100 处的宽峰代表 PVA 主链上 - OH 基团的拉伸振动，随着 γ 辐照剂量增加，OH 拉伸振动的波数发生变化。1636 和 1407 处的峰表明发生了聚合反应，1090 - 1021 处的双峰代表 C - O 拉伸振动等。1270 和 767 处的峰则证实了硅烷化反应的发生。这一系列结果表明，γ 辐照剂量对 PVA 的聚合过程起着关键作用，并且 γ 辐照能够替代化学交联剂，实现绿色合成。
• 形态学观察：研究人员借助 SEM 对硅烷改性的 PVA 气凝胶进行观察，发现未辐照时 PVA 气凝胶表面光滑，随着辐照能量从 10 kGy 增加到 20 kGy，表面开始变得粗糙，出现类似小巷的孔隙；当辐照剂量进一步增加到 30 - 50 kGy 时，表面变得更加凹凸不平，大孔数量增多。由此可见，增加辐射剂量可以增强气凝胶的结构稳定性，其中 30 kGy 的 PVA 气凝胶具有最佳的表面积。
• 无限聚焦显微镜分析：研究人员选择 30 kGy 的 PVA 气凝胶，利用无限聚焦显微镜对其进行研究。结果显示，在油处理前，其深度轮廓为 2.5596 μm，油处理后降至 1.7249 μm，表面粗糙度也随之降低。这一结果不仅证实了 PVA 分子的聚合，还表明该气凝胶具有疏水性。
• 接触角测量：测量结果显示，未处理硅烷的 10 kGy PVA 气凝胶呈亲水性，水接触角为 56.5±1.5°；硅烷处理后，水接触角增加到 118±3.0°，变为疏水性。随着 γ 辐照剂量增加到 30 kGy，水接触角达到最佳值 139.0±3.0° ；40 - 50 kGy 时，水接触角又有所下降。这种变化与 PVA 的化学结构、聚合程度、表面粗糙度以及气凝胶的低表面能等因素密切相关。
• STA 分析：通过热重分析和差示扫描量热法对气凝胶进行 STA 分析，研究人员发现，不同 γ 辐照剂量的气凝胶在热重曲线和差热重曲线上呈现出不同的特征。20 - 30 kGy 是最佳剂量范围，对应的最大分解温度为 185.1°C。同时，随着 γ 辐照剂量增加，气凝胶的玻璃化转变温度（Tg）升高，这表明增加 γ 辐照剂量会延长聚合过程的传播阶段，提高交联程度，但过高的剂量又会导致聚合物降解，降低热稳定性。

综上所述，这项研究成功制备出了具有疏水性能的硅烷改性 PVA 气凝胶。γ 辐照技术在其中展现出巨大优势，不仅实现了绿色聚合，还为气凝胶性能的调控提供了有效手段。确定的 30 kGy 最佳 γ 辐照剂量，为后续材料的制备和应用提供了关键参数。这种疏水 PVA 气凝胶在油水分离和处理领域的潜在应用，更是为解决环境问题带来了新的希望。不过，目前研究还处于实验室阶段，未来还需要进一步探索其大规模生产的可行性，以及在实际复杂环境中的应用性能，不断完善这种新型材料，让它能够真正从实验室走向实际应用，为环保事业贡献力量。