宁波材料所在可降解聚席夫碱金属络合物基多元协同防污材料方面取得进展

2022-04-13 15:01:46 作者：中科院宁波材料所来源：中科院宁波材料所分享至：

细菌、海藻、藤壶和贻贝等生物在材料界面处的粘附、生长和繁殖是海洋环境普遍存在的自然现象，但从技术、生命健康或经济的角度来看，生物粘附在材料表面上并造成不良的后果称为生物污损。海洋生物污损会对海洋工程装备和设施的寿命和服役性能带来巨大的负面影响，是制约海洋开发水平的主要因素之一。防污涂层技术由于其适用范围广、性价比高等优势已成为目前的主流防污方法，也是未来防污技术的核心发展方向。

海洋污损生物的多样性和复杂性使得防除生物附着污损成为公认的难题和研究热点。目前主要存在着毒杀污损生物、污损阻抗、污损脱附、界面自更新、仿生微结构防污这五种防污机制，绝大部分防污材料几乎全部是基于单一防污机制或二元协同防污机制开发的。但由于海洋生物污损过程具有多样性、选择性和随机性的特点，单一的防污策略难以有效应对复杂的海洋污损环境。并且，防污材料面临着愈加严厉的环保要求，许多已开发的防污材料难以适应未来环境友好、广谱高效防污需求的大趋势。

近期，中国科学院宁波材料技术与工程研究所海洋实验室苛刻环境材料耦合损伤与延寿团队在王立平研究员和赵文杰研究员指导下，着力开展了海洋防污附着机理与防治的前瞻研究，提出了基于多元协同增效防污和绿色防污的材料设计思路，开发了一套可降解聚席夫碱金属络合物基多元协同防污材料体系。

研究人员基于亚胺键的可逆共价键和金属离子配体特征，由对苯二甲醛与疏水性二元伯胺脱水缩合制备了在主链结构中具有亚胺键的聚席夫碱高分子。进一步地，利用亚胺键与金属离子的配位能力，将聚席夫碱中的亚胺官能团与金属离子发生配位反应生成高分子金属络合物，形成动态化学交联点，在赋予材料自修复能力的同时，解决了聚席夫碱材料机械性能较差和分子量较低的问题，如图1。聚席夫碱中亚胺键的动态共价键特征使其在海水环境下可降解为具有防污能力的小分子醛类物质和氨类物质，可在自然界中快速降解不产生累积效应，环境友好的同时，提高降解产物的防污利用率。

图1 聚席夫碱金属络合物基防污材料结构设计

研究发现该类聚席夫碱金属配合物材料不仅具有良好可控的力学和自愈性能，而且在室温下具有出色的可控降解性能。材料浸入水介质中，七天后，表现出稳定的降解速率，并可以通过调整金属离子的种类和金属配位键的数量来调控降解速率。该类材料涂层的降解给整个体系带来四方面的变化：

氨类、醛类和金属离子等小分子及离子降解产物释放到环境体系中，改变介质组成，形成污损惰性环境；

降解导致材料界面的化学成分发生变化，使界面产生更多的亲水性氨基和醛基，疏水界面层转化成亲水性污损阻抗型防污界面；

降解也会导致材料界面的微观形态发生变化，表面形态的变化导致与水的接触面积发生变化，从而进一步引起材料降解速率的变化；

降解使表层物质不断与其分离并释放到溶液系统中，促进了其表面的不断自我更新，形成“动态表面”。

由降解产生的四重防污机制作用赋予了材料高效的防污能力。相比于对照组，该材料表面难以观察到粘附的细菌和海藻的存在，对于细菌和海藻的抑制率均可达99%以上，而且通过添加少量具有抗菌防污能力的Cu2+、Ag+等金属离子（添加量小于3%，远小于传统防污材料中防污剂的添加量），可协同增强材料的防污能力，抗菌率和抗藻率可达99.9%以上，如图2。