应用广泛的聚合物基3D支架材料
3D微孔支架作为一类高度通用的材料，广泛应用于医疗、能源和环境领域。这种微孔支架大多数是由聚合物制备的，如聚氨酯（PU）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）和聚（3,4,4亚亚甲基噻吩）（PEDOT）等。通过调整聚合物的种类和结构就能方便的制备出不同密度、表面积、吸收能力和机械性能的微孔支架，因此受到研究者的青睐。而且，在微孔中掺入1D或2D的纳米材料，例如碳纳米管、石墨烯，还能进一步调控聚合物基3D微孔支架的电导率、孔隙度和可压缩性。
可再生、可降解的微孔支架才有未来
在当今可再生、可降解成为研究的热点和标配后，3D微孔支架材料也非常应景的转向了这一方向。目前，用于制造3D微孔支架的天然材料以原纤维为主。
其实，天然花粉也是一个不错的选择：产量巨大，种类多样，具有天然的中空微胶囊结构，化学稳定性好，机械强度高，绝对的单分散性，表面富含羟基官能团。近期，Fan等人采用一种类似于肥皂制造的工艺，通过调节花粉壳层的机械性能，制造出了柔软、对刺激敏感的微凝胶花粉颗粒，研究工作发表在了2020年《Nature Communications》上，这一成果推开了花粉自组装成微凝胶颗粒的大门，对于促进花粉这种天然材料的应用具有重要意义。
成果介绍
韩国成均馆大学Joshua A. Jackman和南洋理工大学Nam-Joon Cho教授课题组通过冷冻干燥和热退火工艺，以向日葵花粉为原料，制造出了一种花粉海绵，在2分钟内可以吸收掉水中大多数有机溶剂而不会吸水，吸收量均大于10 g·g-1，其中氯仿的吸收量超过了29.3 g·g-1。在10次硅油反复吸收实验中，每次吸油量和释放量均能保持在13.6和6.2 g·g -1，表现出优秀的重复利用性。这种材料具有成本低、可再生、可生物降解的特性，非常适合于处理被有机溶剂污染的水体。
5天时间打造花粉海绵
图1. 吸油花粉海绵的合成示意图。
研究者收集了大量的向日葵花粉，在显微镜下发现花粉直径约20微米，是一种具有双壁结构的空心微胶囊，表面覆盖有花粉胶，上面带有数个通孔。
首先，他们用水、丙酮和乙醚对花粉颗粒进行冲洗以去除花粉胶，随后将花粉颗粒在80℃的氢氧化钾水溶液中回流2小时，以除去内容物，仅保留花粉壳。然后，重新加入氢氧化钾水溶液，在80℃下浸泡3天，紧接着将花粉壳在-20下冷冻干燥2天，借助冰晶的成核作用迫使花粉壁分层，从而形成了具有3D多孔结构的花粉海绵。
通过72小时的浸泡，可以降低花粉壁中的缺陷，在-20℃下冷冻干燥可以获得更加均匀的海绵结构。最后，将制备的材料在200℃下加热10分钟，在硬脂酸的乙醇溶液中浸泡1小时，得到了具有疏水结构的花粉海绵。
图2. 花粉海绵的结构表征。
研究者通过SEM、接触角和红外等手段对花粉海绵进行了表征，发现海绵具有3D多孔结构，浸泡在硬脂酸中后海绵对水的最大接触角为145°，密度为0.065 cm -3。
反复压缩100次也能恢复最初的体积
图3. 花粉海绵的机械性能分析。
可压缩性是保证花粉海绵进行反复油污吸收的重要性能。研究者在海绵上施加40％的压缩应变，释放后材料恢复了90%的体积，表现出良好的弹性变形行为。随后研究者在20％、40％和60％的压缩应变下进行了循环压缩实验，循环100次后，花粉海绵可以恢复92％、72％和59％的体积，表现出良好的可循环压缩性能。
不到2分钟就能把油吸光
图4. 花粉海绵的吸油性能。
为了证实花粉海绵的吸油性能，研究者以硅油（密度0.971 g·mL -1）和二氯甲烷（密度为1.33 g·mL -1）作为油相进行了吸油测试，发现制备的花粉海绵能在2分钟内完全把油吸收掉而不会吸水。
反复吸油10次毫无压力
图5. 花粉海绵的反复吸油性能。
在证实了花粉海绵具有吸油特性后，研究者又找来了更多的有机溶剂进行了定量研究，发现对各种类型的油，花粉海绵的吸收量均大于10 g·g -1，其中氯仿的吸收量最大，超过29.3 g·g -1，椰子油的吸收容量最小，为9.7 g·g -1，这一性能可与商用聚丙烯吸收剂相媲美（8.1~24.6 g·g -1）。
随后，研究者在硅油中进行了反复吸收实验：将花粉海绵在硅油中浸泡5分钟，然后挤压海绵达到≈45％的压缩率，再次吸油。在第一个循环中，花粉海绵吸收了17.1 g·g -1的油，通过挤压释放了9.0 g·g -1，在随后的循环中，花粉海绵的吸油量和释放量始终保持在13.6和6.2 g·g -1，证明花粉海绵可以重复使用。
小结
为了制备出低成本、可再生、生物可降解的吸油材料，研究者以向日葵花粉为原料，通过冷冻干燥和热退火工艺制备出了一种3D多孔结构的花粉海绵，对水的最大接触角为145°，密度为0.065 cm -3。这种海绵具有优秀的可压缩性，在20％、40％和60％的压缩应变下循环100次后，还可以恢复92％、72％和59％的体积。花粉海绵对大多数油的吸收量均大于10 g·g -1，氯仿的吸收量最大为29.3 g·g -1。在反复硅油吸收实验中每次的吸油量和释放量始终保持在13.6和6.2 g·g -1，表现出优秀的可重复利用性。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adfm.202101091
来源：高分子科学前沿
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