山東大學王旭教授 Small：用于定位水下基礎設施損傷的超分子離子凝膠

2023-12-14 來源：高分子科技

隨著科技的發(fā)展與全球化的推進，人類對海底隧道、海底天然氣管道以及海底光纜等水下基礎設施的需求日益增長。但是水下基礎設施往往鋪設距離較長，且在水下較深處，難以實時監(jiān)測且難以在其損傷后快速準確定位損傷位置。在前期工作中，王旭教授課題組通過級聯(lián)反應調(diào)控的化學發(fā)光實現(xiàn)了水下材料損傷后的自報警（Mater. Horiz., 2022, 9, 2128-2137）。盡管該方法簡單有效，但是化學發(fā)光的發(fā)光信號傳播距離有限，且光學手段不適合用于遠距離的深水基礎設施的實時監(jiān)測。因此，急需開發(fā)一種可實時監(jiān)測深水基礎設施損傷的方法。

針對上述問題，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具有良好的機械性能和令人滿意的離子電導率，因此它可以用作離子電纜，通過離子傳輸機制傳輸信號。首先將商業(yè)電纜切割成兩個完全獨立的部分，商業(yè)電纜的輸入端口連接手機，輸出端口連接擴音器，隨后將基于SIG的離子電纜連接到商業(yè)電纜的斷開位置。通過在離子電纜的輸出端口懸掛不同質(zhì)量的重物，擴音器會發(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)擴音器發(fā)出聲音的音量和平滑度的變化來確定所施加的重量。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，離子電纜斷裂，無聲音信號輸出，從而監(jiān)測水下基礎設施的結(jié)構(gòu)完整性（圖3e）。

圖3. 水下離子電纜及損傷檢測。（a-d）重物的質(zhì)量為0 g （a）、100 g（b）、500 g（c）和1000 g（d）時，擴音器發(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)異的離子電導率、粘附性和疏水性，因此可以粘附在兩個銅電極之間制成可通過電阻測量法進行水下?lián)p傷定位的器件（圖4a）。由于水下基礎設施鋪設的深度不同，所處的水溫也不一致，因此對該器件進行了不同水溫、不同位置下的電阻測量以探究其水下?lián)p傷自定位的能力（圖4b）。對這三個實驗溫度（0 °C、18 °C 和 30 °C）下所測得的電阻值與長度之間關系進行曲線擬合，并在三個不同位置切斷樣品，將得到的實際電阻值與擬合公式計算得到的理論電阻值進行比較，以確定定位誤差。結(jié)果表明該裝置可以快速準確的定位水下基礎設施的損傷（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）不同水溫不同長度下基于SIG損傷定位器件的阻值；（c，d）初始長度為10 cm（c）和30 cm（d）的基于SIG的水下裝置對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可以用作應變傳感器，在5000個不間斷的加載-卸載循環(huán)中表現(xiàn)出高度可重復的電信號(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)測人體的活動（圖5b-c）。當水下基礎設施遭到破壞，需要維修人員潛入水中時，水下通信尤為重要。此時，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制進行水下通信（圖5d-e）。

圖5. 水下通信。（a）SIGs 在20%拉伸應變下進行5000次加載/卸載循環(huán)的相對電阻變化；（b，c）在空氣中（b）和水下（c）手指進行重復彎曲和伸直時SIGs的相對電阻變化；（d，e）SIGs通過摩斯密碼在水下發(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化學與化工學院博士畢業(yè)生賈良瑩，山東大學王旭教授為通訊作者。

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

版權與免責聲明：中國聚合物網(wǎng)原創(chuàng)文章�？锘蛎襟w如需轉(zhuǎn)載，請聯(lián)系郵箱：info@polymer.cn，并請注明出處。

（責任編輯：xu）

【大中小】【打印】【關閉】

誠邀關注高分子科技

更多>>最新資訊

更多>>科教新聞

免费av大片在线看_日本久久东京热午夜_日韩欧美亚洲中文字幕国_大战刚结婚的少妇_亚洲AV成人综合网成人_91九色丨PORNY丨交换_成人动漫网站_欧美在线专区

誠邀關注高分子科技