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山東大學(xué)王旭教授 Small：用于定位水下基礎(chǔ)設(shè)施損傷的超分子離子凝膠
2023-12-14  來(lái)源：高分子科技

  隨著科技的發(fā)展與全球化的推進(jìn)，人類對(duì)海底隧道、海底天然氣管道以及海底光纜等水下基礎(chǔ)設(shè)施的需求日益增長(zhǎng)。但是水下基礎(chǔ)設(shè)施往往鋪設(shè)距離較長(zhǎng)，且在水下較深處，難以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)且難以在其損傷后快速準(zhǔn)確定位損傷位置。在前期工作中，王旭教授課題組通過(guò)級(jí)聯(lián)反應(yīng)調(diào)控的化學(xué)發(fā)光實(shí)現(xiàn)了水下材料損傷后的自報(bào)警（Mater. Horiz., 2022, 9, 2128-2137）。盡管該方法簡(jiǎn)單有效，但是化學(xué)發(fā)光的發(fā)光信號(hào)傳播距離有限，且光學(xué)手段不適合用于遠(yuǎn)距離的深水基礎(chǔ)設(shè)施的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。因此，急需開發(fā)一種可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)深水基礎(chǔ)設(shè)施損傷的方法。


  針對(duì)上述問題，王旭教授課題組首先利用含羥基單體與含氟單體在疏水離子液體中光聚合，制備得到了一種同時(shí)含有氫鍵和離子-偶極相互作用的離子凝膠（SIG，圖1）。該離子凝膠高度透明，具有優(yōu)異的柔韌性、離子導(dǎo)電、抗撕裂、抗穿刺、水下自愈合、水下粘附等性能（圖2）。 


圖1. 離子凝膠SIG的原理圖以及[EMI]+、[TFSI]-、P(HEA-co-HFBA)、PHEA和PHFBA的化學(xué)結(jié)構(gòu)


圖2. SIG抗穿刺、抗撕裂、自愈合及粘附性能表征


  由于SIG具有良好的機(jī)械性能和令人滿意的離子電導(dǎo)率，因此它可以用作離子電纜，通過(guò)離子傳輸機(jī)制傳輸信號(hào)。首先將商業(yè)電纜切割成兩個(gè)完全獨(dú)立的部分，商業(yè)電纜的輸入端口連接手機(jī)，輸出端口連接擴(kuò)音器，隨后將基于SIG的離子電纜連接到商業(yè)電纜的斷開位置。通過(guò)在離子電纜的輸出端口懸掛不同質(zhì)量的重物，擴(kuò)音器會(huì)發(fā)出不同音量的聲音（圖3a-d）。因此，基于SIG的離子電纜可以作為質(zhì)量傳感器，根據(jù)擴(kuò)音器發(fā)出聲音的音量和平滑度的變化來(lái)確定所施加的重量。此外，基于SIG的離子電纜可以固定到模型管上，在模型管斷裂時(shí)，離子電纜斷裂，無(wú)聲音信號(hào)輸出，從而監(jiān)測(cè)水下基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)構(gòu)完整性（圖3e）。 


圖3. 水下離子電纜及損傷檢測(cè)。（a-d）重物的質(zhì)量為0 g （a）、100 g（b）、500 g（c）和1000 g（d）時(shí)，擴(kuò)音器發(fā)出聲音的音軌圖；（e）基于SIG的離子電纜固定到模型管損壞前后的圖片及音軌圖


  由于SIG具有優(yōu)異的離子電導(dǎo)率、粘附性和疏水性，因此可以粘附在兩個(gè)銅電極之間制成可通過(guò)電阻測(cè)量法進(jìn)行水下?lián)p傷定位的器件（圖4a）。由于水下基礎(chǔ)設(shè)施鋪設(shè)的深度不同，所處的水溫也不一致，因此對(duì)該器件進(jìn)行了不同水溫、不同位置下的電阻測(cè)量以探究其水下?lián)p傷自定位的能力（圖4b）。對(duì)這三個(gè)實(shí)驗(yàn)溫度（0 °C、18 °C 和 30 °C）下所測(cè)得的電阻值與長(zhǎng)度之間關(guān)系進(jìn)行曲線擬合，并在三個(gè)不同位置切斷樣品，將得到的實(shí)際電阻值與擬合公式計(jì)算得到的理論電阻值進(jìn)行比較，以確定定位誤差。結(jié)果表明該裝置可以快速準(zhǔn)確的定位水下基礎(chǔ)設(shè)施的損傷（圖4c-e）。 


圖4. 水下?lián)p傷定位。（a）基于SIG的水下?lián)p傷定位裝置示意圖；（b）不同水溫不同長(zhǎng)度下基于SIG損傷定位器件的阻值；（c，d）初始長(zhǎng)度為10 cm（c）和30 cm（d）的基于SIG的水下裝置對(duì)不同損傷位置的定位誤差；（e）基于SIG器件水下?lián)p傷位置的圖片


  SIG可以用作應(yīng)變傳感器，在5000個(gè)不間斷的加載-卸載循環(huán)中表現(xiàn)出高度可重復(fù)的電信號(hào)(圖5a)，顯示出該材料優(yōu)異的耐用性。此外，SIG也可以貼附于人體部位，在空氣中和水下監(jiān)測(cè)人體的活動(dòng)（圖5b-c）。當(dāng)水下基礎(chǔ)設(shè)施遭到破壞，需要維修人員潛入水中時(shí)，水下通信尤為重要。此時(shí)，可以將SIG貼附著于維修人員的手指上，使用摩斯密碼作為水下通信機(jī)制進(jìn)行水下通信（圖5d-e）。 


圖5. 水下通信。（a）SIGs 在20%拉伸應(yīng)變下進(jìn)行5000次加載/卸載循環(huán)的相對(duì)電阻變化；（b，c）在空氣中（b）和水下（c）手指進(jìn)行重復(fù)彎曲和伸直時(shí)SIGs的相對(duì)電阻變化；（d，e）SIGs通過(guò)摩斯密碼在水下發(fā)出“ionogel”（d）和“SOS”（e）信息


  該研究成果以“Supramolecular Ionogels for Use in Locating Damage to Underwater Infrastructure”為題發(fā)表在《Small》期刊上。論文的第一作者為山東大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院博士畢業(yè)生賈良瑩，山東大學(xué)王旭教授為通訊作者。


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202309231

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（責(zé)任編輯：xu）
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