具有水下超疏油性能的聚合物微/纳米刷复合结构用于海洋防污

海洋生物污损造成的经济损失(包括增加燃料消耗以及增加维修次数、入船坞清洗或重涂涂层的费用等)是非常巨大的。从上世纪20年代开始,美国海军就开展了防污涂层材料的研究。此后世界各国陆续研发出了含重金属化合物、有机锡类、自抛光防污涂层等。然而这些涂层释放的有害物质会给生态环境和人类健康造成严重危害。因此,新一代无毒防污材料的研究成为人们关注的热点。

海洋生物污损的机理复杂,但普遍认为污损过程可分为四个阶段。其中最初级的阶段是有机分子,如蛋白质、多聚糖、油脂等迅速地聚集在表面形成调节膜,随后细菌和单细胞硅藻迅速附着在调节膜的表面。因此,如何抑制有机分子在表面的聚集就成了设计防污材料的关键。另外,与人造舰船不同的是,常年在海洋环境中遨游的大型生物表面上并没有生物污损的附着。人们对鲨鱼皮的研究发现,这些表面看起来非常光滑,其实具有大小为300-400 μm的特殊微观结构,可以有效地抵御海洋生物污损。于是,构筑一种即具有特殊微观结构,又能抑制有机分子聚集的表面成为设计海洋防污材料的新思路。

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中国科学院兰州化学物理研究所周峰研究员带领的团队成功研发出了一种聚合物微/纳米刷复合结构的防污表面。通过多孔阳极氧化铝为模板,研究人员制备了聚丙烯酸微米刷表面。该表面具有特殊的微观结构,并且展示出了良好的水下超疏油性能。通过表面原子转移自由基聚合技术(SI-ATRP),研究人员又在微米刷上接枝了两种不同功能的纳米刷,从而首次制备了这种微/纳米刷复合结构。通过测试发现,这种微/纳米刷复合表面在保持水下超疏油的同时,可以通过改变温度来调节油滴对于表面的粘附。更为重要的是,具有特殊微观结构的微米刷表现出了良好的防污性能,而对于接枝了具有防污活性的微/纳米复合结构,防污性能最佳。

这项研究初步揭示了构筑水下超疏油表面对于海洋防污的重要性,为今后新型海洋防污材料的设计提供了指导思路。相关论文发表在Small (DOI: 10.1002/smll.201602020)上

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