大量的石油泄漏对环境造成污染和破坏，对人们的健康具有潜在危害，需要开发除油解决方案以控制石油泄漏污染水体[1-5]。目前主要的溢油清理方法有：物理方法、化学方法和生物方法。物理方法，如利用吸附机制清理溢油，对环境的影响较小[6-7]。聚丙烯纤维作为目前使用较广泛的吸油材料，具有价格低、密度小、良好的耐化学腐蚀性等优点[8]。王文华等[9]采用纳米聚丙烯纤维对石油进行吸附，吸附量为24.3 g/g。但是聚丙烯纤维在吸油应用中也存在一些缺点，储油性差，容易发生漏油，造成二次污染[10]。气凝胶具有低密度(0.001~0.5 g/cm3)、高孔隙率(95%~99%)和大比内表面积(10~2 000 m2/g)等性能[11-12]，可作为吸油应用的理想产品。二氧化硅气凝胶是一种常用的纳米多孔材料，具有较大的比表面积和较高的孔隙率，可用于废水处理，催化等方面[13-15]。将聚丙烯纤维加入SiO2气凝胶中，可制备具有一定韧性的聚丙烯纤维/SiO2气凝胶复合材料，提升材料的力学性能［11, 13］。赵一帆等[16]以聚丙烯纤维为增强相，与SiO2进行复合，经疏水改性与超临界CO2干燥制备超疏水聚丙烯纤维/SiO2气凝胶复合材料。结果表明：该复合气凝胶具有较好的储油性，但煤油吸附量仅为7.54 g/g，吸附效率相对较低。因此开发高吸附量的聚丙烯纤维复合气凝胶具有重要的意义。聚乙烯醇(PVA)是聚醋酸乙烯酯经水解而得的聚合物，其分子链上含有大量羟基，分子链间形成氢键，具有良好的水溶性、成膜性、黏接性等优点，通过纳米纤维对PVA进行增强，改善PVA的物理性能[17]。本实验采用聚丙烯纤维，选用PVA代替二氧化硅气凝胶，制备聚丙烯纤维/PVA复合气凝胶，研究了不同聚丙烯纤维和PVA配比对复合气凝胶性能影响，并对复合气凝胶的形貌、疏水性、压缩力学性能、吸油能力进行表征。1实验部分1.1主要原料聚丙烯纤维，长度1.5 mm，直径40~50 μm，山东欧德化纤制品有限公司；聚乙烯醇(PVA)，1788，上海阿拉丁试剂有限公司；甲基三乙氧基硅烷(MTEOS)，分析纯，上海阿拉丁试剂有限公司；原油，黄色，工业品，中国石化有限公司。1.2仪器与设备冷冻干燥机，ZLGJ-10，上海耀裕仪器设备有限公司；扫描电子显微镜(SEM)，QuanTa200，荷兰FEI公司；傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)，Spectrum 800，美国Perkin-Elmer公司；接触角测量仪，VCA Optima，美国AST产品公司。1.3样品制备表1为聚丙烯纤维基复合气凝胶的配方。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.11.012.T001表1聚丙烯纤维基复合气凝胶的配方Tab.1Formula of polypropylene fiber based alcohol composite aerogel样品混合溶液中各组分含量MTEOS/g聚丙烯纤维/gPVA/g去离子水/mL1#0.10.11000.0082#0.10.51000.0243#0.11.01000.0444#0.50.11000.0605#0.50.51000.0406#0.51.01000.0607#0.50.1100—注：“—”表示未添加。没有疏水改性的样品7#作为疏水改性前后表征对比样。按表1配方分别将0.1、0.5、1.0 g PVA粉末加入100 mL去离子水中，在90 ℃下形成0.1%、0.5%和1.0%的PVA溶液。将聚丙烯纤维分别加入PVA溶液中，高速搅拌形成均匀的混合溶液。将混合溶液在-18 ℃下冷冻8 h，转移到冷冻干燥机中，在-50 ℃和0.1 MPa下，冷冻干燥48 h，获得复合气凝胶样品，通过化学气相沉积将MTEOS涂在气凝胶样品表面。气凝胶和MTEOS质量比为25:1，密封并在70 ℃的烤箱中放置6 h。1.4性能测试与表征体积密度测定：使用电子天平和游标卡尺测量复合气凝胶材料的质量M和体积Vbulk，复合气凝胶为长方体，每个试样测试5次，得到体积密度ρbulk。孔隙率的测定:聚丙烯纤维基气凝胶的孔隙率的计算公式为：Φ=Vbulk-VskeletalVbulk×100% （1）Vskeletal=MPPρPP+MPVAρPVA （2）式（1）、式（2）中：Φ为孔隙率，%；Vbulk为聚丙烯纤维复合气凝胶的表观体积，cm3；Vskeletal为聚丙烯纤维气凝胶的骨架体积，cm3；MPP为聚丙烯纤维的质量，g；MPVA为PVA的质量，g；ρPP为中空聚丙烯纤维的密度，0.90 g/cm3；ρPVA为PVA的密度，1.19 g/cm3。SEM测试：通过扫描电镜观察气凝胶的形貌，在测试前对样品进行喷金处理。FTIR测试：波数范围500~4 000 cm-1。接触角测试：室温下，采用固定式滴法测量。吸收原油实验：将一定质量气凝胶(M1)放入装有50 mL原油的烧杯中，在浸泡2 h后捞出，放在铁丝网上，去除附油，吸油后称重M2，气凝胶的最大吸油能力(Qmax)的计算公式为：Qmax=M2-M1M1 （3）2结果与讨论2.1聚丙烯纤维基气凝胶的体积密度及孔隙率分析表2为不同聚丙烯基气凝胶的孔隙率和密度。从表2可以看出，在中空聚丙烯纤维为0.1 g，PVA为0.1 g时，聚丙烯基气凝胶的体积密度最小为0.004 g/cm3；当聚丙烯纤维为0.5 g，PVA为1.0 g时，体积密度最大为0.019 g/cm3。PVA为0.5 g时，随着聚丙烯纤维质量的增加，聚丙烯基气凝胶的孔隙率呈下降趋势，从99.01%下降至98.35%。可能是纤维堆积越密，纤维间的空间越小，从而使PVA交联剂形成的距离更近，从而减小了孔隙尺寸，从而降低了孔隙率。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.11.012.T002表2不同复合气凝胶的密度和孔隙率Tab.2Density and porosity of different composite aerogels样品体积密度/（g‧cm-3）孔隙率/%1#0.00499.552#0.00999.013#0.01698.254#0.00799.215#0.01398.356#0.01998.10中空聚丙烯纤维含量保持不变，随着PVA质量的增加(0.1~1.0 g)，气凝胶的密度增加，孔隙度降低。样品4#~样品6#的密度从0.007 g/cm3增加至0.019 g/cm3，孔隙率从99.21%下降至98.10%。可能是因为随着PVA质量的增加，聚丙烯纤维之间建立了更多的PVA交联网络，从而增加密度。随着纤维之间建立了更多的PVA交联网络，并且距离更近，平均孔径减小，从而导致孔隙率整体下降。2.2聚丙烯纤维基气凝胶的SEM分析图1为聚丙烯纤维和聚丙烯纤维基气凝胶的SEM照片。从图1可以看出，聚丙烯纤维是一种表面光滑的纤维，聚丙烯纤维含量增加导致纤维的间距缩小，从而减少孔径（箭头表示）。分别固定聚丙烯纤维的质量为0.1 g（样品1#、样品2#和样品3#）、0.5 g（样品4#、样品5#和样品6#），随着PVA含量的增加，形成PVA交联网络，进一步表明孔隙率降低，气孔更小（箭头表示）。复合气凝胶呈现出高度多孔的微观结构，多孔特性及三维微观结构是吸油应用的关键性能。图1聚丙烯纤维和聚丙烯纤维基气凝胶的SEM照片Fig.1SEM images of polypropylene fiber and polypropylene fiber-based aerogel10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.11.012.F1a110.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.11.012.F1a210.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.11.012.F1a310.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.11.012.F1a42.3聚丙烯纤维基气凝胶的接触角分析表3为聚丙烯纤维基复合气凝胶的接触角。从表3可以看出，MTEOS涂层的聚丙烯纤维基气凝胶的疏水性好，样品6#的接触角最小(131.9°)，样品4#接触角最大(136.1°)，气凝胶表现出的良好疏水性。由于气凝胶表面由纤维和PVA交联剂相互连接，结构中存在多个孔隙。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.11.012.T003表3聚丙烯纤维基复合气凝胶的接触角Tab.3Contact angle of polypropylene fiber based alcohol composite aerogel项目1#2#3#4#5#6#接触角134.1133.5133.1136.1132.5131.9°°2.4聚丙烯纤维基气凝胶的FTIR分析图2为样品4#和样品7#的FTIR谱图。从图2可以看出,样品7#为未改性的复合气凝胶样品。样品7#中3 200~3 500 cm-1之间的宽峰可指认为PVA分子间氢键的O—H伸缩振动峰[18-20]；在2 940 cm-1附近的吸收峰是CH2不对称伸缩振动峰；在1 450 cm-1处的吸收峰为CH2弯曲振动峰；在1 330 cm-1处的吸收峰为C—OH面内变形振动峰；在1 092 cm-1处的吸收峰为C—O伸缩振动峰。样品4#在3 200~3 500 cm-1之间没有出现—OH吸收峰；在2 850 cm-1处出现MTEOS的CH3伸缩振动峰；1 275cm-1处出现—Si(CH3)伸缩振动峰；1 110 cm-1处的吸收峰是Si—O—Si不对称伸缩振动峰；785 cm-1附近的峰Si—O对称伸缩振动峰[21-23]。FTIR光谱分析表明，MTEOS成功改性中空聚丙烯纤维基气凝胶。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.11.012.F002图2样品4#和样品7#的FTIR谱图Fig.2FTIR spectra of sample 4# and sample 7#2.5聚丙烯纤维基气凝胶的吸油实验图3为样品1#吸油的简化过程。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.11.012.F003图3样品1#吸油的简化过程Fig.3Simplified process of absorbing oil by sample 1#从图3可以看出，吸附30 s时，一部分油通过毛细管张力被吸附到样品1#气凝胶中；吸附5 min时，表面皿中的油被气凝胶完全吸附，说明样品1#具有优异的吸油性能。图4为PVA质量对气凝胶吸油量的影响。从图4可以看出，PVA的质量保持在0.1 g不变时，当聚丙烯纤维的质量从0.1增至0.5 g，气凝胶的吸油能力从86.2 g/g降至76.1 g/g。增加聚丙烯纤维的质量，导致孔隙率降低，孔隙率越低，复合气凝胶中储油的可用体积越小。聚丙烯纤维质量保持在0.1 g不变时，当PVA质量从0.1增至1.0 g，气凝胶的吸油能力从86.2 g/g降至32.1 g/g。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.11.012.F004图4PVA质量对气凝胶吸油量的影响Fig.4Effect of PVA mass on oil absorption of aerogel3结论（1）利用MTEOS成功改性聚丙烯纤维基气凝胶，制备的聚丙烯纤维基复合气凝胶具有连续三维骨架网络结构、较低密度(0.004~0.019 g/cm3)、较高多孔隙率(98.10%~99.55%)等特点。（2）固定PVA的含量，随着聚丙烯纤维含量的增加，聚丙烯纤维基复合气凝胶的密度增大，孔隙率变小，孔径也变小。固定聚丙烯纤维的含量，随着PVA含量的增加，聚丙烯纤维基复合气凝胶的密度增大，孔隙率变小，形成PVA交联网络。（3）FTIR谱图、水接触角和吸油结果显示，复合气凝胶具有良好的疏水吸油性，所有复合气凝胶与水的接触角在131.9°~136.1°之间。样品1#的吸油量最佳为86.2 g/g，密度为0.004 g/cm3，孔隙率为99.55%，与水的接触角达到134.1°。