Phyllosilicate Clay-based Functional Nanomaterials for Hazard Absorbents and a Humidity-driven Bending Actuator

Abstract

필로실리케이트 점토는 우수한 열안정성, 우수한 화학적 불활성, 우수한 수분 흡수성 및 용이한 박리성으로 인해 농업, 환경, 건축 및 화학 산업의 응용 분야에서 널리 사용된다. 여기에서 eVMT (expanded vermiculite)는 액체 위험에 대한 보편적인 흡착제로 탐구된다. 그리고 벤토나이트(BNT) 나노시트는 벤딩 액츄에이터를 제작하기 위해 물에 반응하는 재료로 활용된다. 여러 eVMT 는 크기가 다른 조질의 질석을 사용하여 다양한 온도에서 급속 가열하여 준비된다. 그들의 흡수 거동은 원추형 슬릿 모양의 다공성을 갖는 구조적 특성과 상관 관계가 있다. 열 eVMT 의 수착 성능은 1.5 – 3.0g g -1의 적당한 수착 용량과 유해 화합물 및 산성/염기성 용액에 대해 10 분 이내에 > 94wt%의 우수한 제거 효율을 나타낸다. 또한, 수착 용량을 더욱 향상시키기 위해 eVMT 는 60°C 에서 30wt% H2O2 처리에 의한 박리 및 마이크로파 방사선에 의한 후속 건조라는 새로운 2 단계 공정으로 준비되었다. 2 단계 eVMT 는 7.75 cm 3 g -1의 총 공극 부피를 가진 균질하게 박리된 콘서티나 같은 구조를 나타낸다. 결과적으로 2 단계 eVMT 는 열 샘플보다 2.4 - 7.9 g g -1의 더 큰 수착 용량과 액체 위험에 대해 > 95%의 더 높은 제거 효율을 보여준다. 흡착 능력은 주로 흡착제의 공극 부피 및 유해 화학물질의 밀도와 상관관계가 있다. 입자간/입자내 기공에 의해 상호 연결된 공극 공간은 흡수 경로로 작용하여 모세관 현상에 의한 수착이 발생한다. 이러한 결과는 eVMT 가 위험 유출의 개선을 위한 유망한 범용 흡수제임을 보여준다. 또한 프로토타입 eVMT 흡수성 어셈블리는 불침투성 표면에서 액체 위험을 신속하고 자발적으로 제거한다. 다음으로, 2 단계 eVMT 의 표면은 열증착법을 사용하여 초박형 PDMS(polydimethylsiloxane)로 기능화되어 친환경적이고 저렴한 오일 흡착제를 제조한다. PDMS 로 코팅된 eVMT (eVMT@PDMS)는 오일/물 분리에 적합한 소수성과 친유성을 나타낸다. 물리적으로 포장된 eVMT@PDMS 튜브를 사용하기만 하면 물 표면 위와 아래에서 선택적 오일 제거가 시연된다. 이 흡착제는 성공적으로 통합되어 배럴 모양의 오일 스키머 및 자체 프라이밍된 오일 펌프와 같은 고급 오일 수집 장치에 적용된다. 점토 기반 유흡착제는 대규모 유류 유출에 대한 실용적인 유류 수집 시스템을 구현하는 데 있어 우수한 유연성과 경쟁력 있는 가격을 제공할 수 있다. 마지막으로 내구성 있는 수분 구동 이중층 액추에이터는 BNT 나노클레이와 폴리이미드(PI) 필름을 사용하여 쉽게 제작된다. 이 BNT/PI 액추에이터는 가역적인 굽힘 성능을 나타내며 RH = 4.0 - 92%의 곡률 감도와 0.035 cm -1 %RH -1의 선형 응답, 일반적인 유기 용매 증기에 대한 상당히 우수한 물 선택성 및 탁월한 재현성 향상을 나타낸다. 연속 200 작업까지. 관찰된 굽힘 거동은 PI 보다 물에 반응하는 BNT 층의 더 큰 부피 팽창과 더 약해진 강성으로 해석될 수 있다. 결국 BNT/PI 액츄에이터는 시계 모양의 습도계, 얼굴 이모티콘 표시 습도계 및 습도 스위치 기반 LED 습도계와 같은 사용자 친화적인 독립형 습도계의 세 가지 프로토타입을 만드는 데 성공적으로 적용되었다.|Phyllosilicate clays are widely utilized in application fields of agriculture, environment, building construction, and chemical industry because of their good thermal stability, excellent chemical inertness, great water sorption, and easy exfoliation. Herein, expanded vermiculite (eVMT) is explored as universal sorbents for liquid hazards. And, bentonite (BNT) nanosheets are utilized as water-responsive materials to fabricate a bending actuator. Several eVMTs are prepared by rapid heating at different temperatures using crude vermiculite with dissimilar dimensions. Their absorption behaviors are correlated with structural characteristics with conical slit-shaped porosity. The sorption performance of thermal eVMT exhibits moderate sorption capacities of 1.5 – 3.0 g g-1 and excellent removal efficiency of > 94 wt% within 10 min for hazardous compounds and acidic/basic solutions. In addition, to further improve the sorption capacity, eVMT was prepared by a new two-step process: exfoliation by 30 wt% H2O2 treatment at 60C and subsequent drying by microwave radiation. The two-step eVMT exhibits a homogenously exfoliated concertina-like structure with a total pore volume of 7.75 cm3 g-1. As a result, the two-step eVMTs show the greater sorption capacities of 2.4  7.9 g g-1 and the higher removal efficient of > 95% for liquid hazards than the thermal sample. The sorption capacity is mainly correlated with the pore volume of sorbent and the density of the hazardous chemical. The void space interconnected by interparticle/intraparticle pores works as imbibing pathways, resulting in the capillarity-driven sorption. These results demonstrate that eVMTs are promising general-purpose absorbents for the remediation of hazard spillages. Furthermore, the prototype eVMT absorbent assembly has presented a fast, spontaneous removal of liquid hazards on an impermeable surface. Next, the surface of two-step eVMT is functionalized with ultra-thin polydimethylsiloxane (PDMS) using thermal vapor deposition to prepare an ecologically friendly, low-cost oil sorbent. The PDMS-coated eVMT (eVMT@PDMS) exhibits adequate hydrophobicity and oleophilicity for oil/water separation. Simply with using a physically-packed eVMT@PDMS tube, selective oil removal are demonstrated above and beneath the surface of the water. These sorbents are successfully integrated and then applied to the advanced oil-collecting devices such as a barrel-shaped oil skimmer and a self-primed oil pump. The clay-based oil sorbent can provide a superior flexibility and a competitive price in realizing practical oil-collecting systems for large-scale oil spills. Finally, durable moisture-driven bilayer actuators are facilely fabricated by using BNT nanoclays and a polyimide (PI) film. This BNT/PI actuator exhibits reversible bending performance, displaying a linear response in RH = 4.0  92% with a curvature sensitivity of 0.035 cm-1 %RH-1, a fairly good water selectivity against common organic solvent vapor, and excellent reproducibility up to consecutive 200 operations. Observed bending behaviors can be interpreted by greater volume expansion and more weakened stiffness of the water-responsive BNT layer than the PI. Eventually, BNT/PI actuators have been successfully applied to creating three different prototypes of user-friendly, stand-alone hygrometers: a clock-like hygrometer, a face emoticon-display hygrometer, and a humidity switch-based LED hygrometer.