聚丙烯微塑料在PDMS涂层海绵上的吸附机制：分子动力学模拟与实验研究

针对水体中微塑料(MPs)污染治理难题，哈尔滨制造行业科技创新团队通过水浴加热法制备了聚二甲基硅氧烷(PDMS)涂层海绵，结合分子动力学(MD)模拟揭示了聚丙烯(PP) MPs在PDMS表面的自发吸附机制。研究发现该材料对PP的去除率高达90.3%（10次循环后），MD分析表明范德华力驱动的PP构象变化（三维椭球→二维椭圆盘）是核心机制，为MPs治理提供了新型吸附材料与理论支撑。

　　

微塑料（MPs）污染已成为全球性环境危机，这些直径小于5毫米的塑料颗粒在海洋、淡水甚至饮用水中广泛存在，不仅威胁水生生物健康，还能通过食物链进入人体，引发免疫功能障碍和呼吸系统疾病。其中聚丙烯（PP）和聚乙烯（PE）是最常见的MPs类型，但传统处理方法存在成本高、效率低等问题。面对这一挑战，哈尔滨制造行业科技创新团队开发了一种创新解决方案——通过水浴加热法制备聚二甲基硅氧烷（PDMS）涂层海绵，并首次结合分子动力学（MD）模拟揭示了PP MPs在PDMS表面的吸附机制。

研究采用实验与计算相结合的策略：通过接触角测试和循环吸附实验评估材料性能；利用MD模拟分析PP在PDMS表面的构象变化；结合密度泛函理论（DFT）计算相互作用能。关键技术包括PDMS涂层制备（水浴加热90°C）、MD模拟（GROMACS软件包）和DFT计算（B3LYP泛函）。

【材料与性质】
PDMS涂层使聚氨酯（PU）海绵获得超疏水性，接触角达152°，内部孔隙结构保持完整（图2c₁-c₂）。X射线光电子能谱（XPS）证实PDMS成功包覆，甲基（-CH₃）含量增加至58.6%。

【吸附性能】
涂层海绵对10 μm PP颗粒的吸附容量达4.8 mg/g，10次循环后去除率仍保持90.3%。浮力实验显示其可自主富集水面漂浮的PP颗粒（图2a），且内部疏水层能阻隔水分子渗透（图2b）。

【分子机制】
MD模拟揭示PP从三维椭球体（回转半径1.2 nm）展开为二维椭圆盘（厚度0.3 nm）的动态过程（图4a）。能量分析表明该过程为自发进行（ΔG=-28.6 kcal/mol），主要驱动力来自PDMS甲基与PP的范德华相互作用（占比92.7%），而PDMS表面水合层影响可忽略。径向分布函数（RDF）显示PP的亚甲基（-CH₂-）与PDMS甲基的最优吸附距离为0.38 nm（图4d）。

这项研究通过多尺度分析阐明了PDMS-PP相互作用的原子级机制，不仅为MPs治理提供了可循环使用的高效吸附材料（成本降低40%），更开创性地建立了基于MD模拟的MPs吸附理论框架。研究者特别指出，PDMS的柔性硅氧烷链（-Si-O-）和低表面张力（21 mN/m）是其优异吸附性能的结构基础，该发现对设计新型环境功能材料具有重要指导意义。论文成果发表于《Environmental Pollution》，受到黑龙江省"双一流"学科建设项目的资助支持。