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華南理工大學(xué)馬春風(fēng)教授 AFM:自增強(qiáng)按需剝離海洋防污涂層
2025-06-04  來源:高分子科技

  按需剝離海洋防污涂層能夠通過簡單去除來解決高污損壓力導(dǎo)致的涂層失效問題,也可應(yīng)用于水下設(shè)備的臨時(shí)或短期防污,為生物污損防治提供了全新解決方案。然而,高附著力和可剝離性往往是相互矛盾的,設(shè)計(jì)制備高附著、按需剝離、可回收、高透明、高強(qiáng)韌的海洋防污涂層極具挑戰(zhàn)性。

1. 自增強(qiáng)按需剝離海洋防污涂層原理及性能



  海洋生物污損防治是一個(gè)全球性難題,給海洋工業(yè)與海事活動(dòng)帶來嚴(yán)重影響。使用防污涂層是目前最經(jīng)濟(jì)有效的防護(hù)措施。然而,在熱帶、夏季等高污損生物壓力下,涂層表面易于失效并形成難以清除的生物污垢。在這種情況下,直接將涂層剝離是最簡單有效的,但大多數(shù)防污涂層底部與基材的粘接是永久性的,僅能通過復(fù)雜且耗時(shí)的物理方法(如機(jī)械打磨、噴砂)或化學(xué)方法(如酸、堿及溶劑處理)去除。此外,以往防污涂層不可剝離性也限制了它們?cè)谂R時(shí)或短期防污領(lǐng)域(從幾天到幾個(gè)月)中的應(yīng)用。例如,水下傳感器或水下機(jī)器人等在短期服役結(jié)束后,表面防污涂層已無作用,但此時(shí)的涂層卻難以清除,阻礙了設(shè)備表面的其它功能化。因此,發(fā)展高附著力且可按需剝離的防污涂層將為海洋生物污損防治提供新的解決方案。



  然而,高附著力和可剝離性往往是相互矛盾的。為實(shí)現(xiàn)涂層的可剝離,傳統(tǒng)的方法主要是在涂層中加入可剝離助劑,使涂層的附著力遠(yuǎn)小于剝離力。該策略破壞了涂層與基材的界面相互作用,易導(dǎo)致防污涂層在海水沖刷環(huán)境下脫落。為了使涂層既可剝離又滿足應(yīng)用場景的附著力需求,要求涂層具備較強(qiáng)的內(nèi)聚力,從而避免其在剝離過程中被破壞。通過在聚合物網(wǎng)絡(luò)中引入化學(xué)共價(jià)交聯(lián)是提高涂層內(nèi)聚力的最有效方法,但共價(jià)交聯(lián)結(jié)構(gòu)缺乏可逆性,限制了涂層的可回收性。此外,現(xiàn)有可剝離涂層忽視了表面防污功能化。因此,設(shè)計(jì)制備高附著、按需剝離、可回收、高透明、高強(qiáng)韌的海洋防污涂層極具挑戰(zhàn)性(圖2a)。


  華南理工大學(xué)海洋工程材料團(tuán)隊(duì)長期致力于海洋先進(jìn)防護(hù)材料的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究。近年來,該團(tuán)隊(duì)聚焦于新型海洋防污涂層與技術(shù)開展了大量工作,先后制備了兩性離子基聚硅氮烷防污涂層、柔性硬質(zhì)聚硅氧烷防污涂層、功能梯度防污防腐涂層等(Adv. Mater. 2025, 37, 2413035; Adv. Funct. Mater. 2025, 2424994Adv. Funct. Mater. 2025, 35,2420562;Adv. Funct. Mater. 2024, 34,2408748;Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2011145。最近,在前期工作基礎(chǔ)上,該團(tuán)隊(duì)基于模塊化構(gòu)筑策略發(fā)展了一類兼具表面廣譜抗污、基底高附著力且按需剝離的自增強(qiáng)功能梯度涂層,同時(shí)該涂層還具有可回收、高強(qiáng)韌、高透明度等特性(圖2b)。在該體系中,巰基功能化籠型聚硅氧烷(POSS-SH, 模塊1)和聚酯型聚氨酯預(yù)聚體(NCO-PU, 模塊2)為基本構(gòu)筑模塊。其中,POSS-SH作為可逆自增強(qiáng)交聯(lián)基元與NCO-PU形成動(dòng)態(tài)共價(jià)交聯(lián),同時(shí)利用無機(jī)Si–O–Si內(nèi)核增強(qiáng)材料的內(nèi)聚強(qiáng)度,實(shí)現(xiàn)涂層的按需剝離及可回收。而聚酯型聚氨酯預(yù)聚體中的酯鍵和氨基甲酸酯鍵可保持本體高內(nèi)聚強(qiáng)度同時(shí)與基材形成強(qiáng)氫鍵,實(shí)現(xiàn)涂層的高附著力。此外,進(jìn)一步引入的模塊3即反應(yīng)性雙親聚合物(RAP)可以在涂層固化過程中自富集到涂層表面,同時(shí)其反應(yīng)性的異氰酸酯末端可以與聚合物網(wǎng)絡(luò)交聯(lián),從而使涂層表面展現(xiàn)出優(yōu)異的抗蛋白、細(xì)菌、抗硅藻粘附以及抗生物膜性能并保持高透明度(透過率? 85%)、高強(qiáng)度(21.4?25.9 MPa)、高附著力(3.5?9.0 MPa)、按需剝離(1.5?5.5 N·cm-1)以及可回收性。


2. 自增強(qiáng)按需剝離海洋防污涂層設(shè)計(jì)



3. 自增強(qiáng)按需剝離海洋防污涂層結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系



4. 自增強(qiáng)按需剝離海洋防污涂層高附著力與按需剝離原理分析



5. 自增強(qiáng)按需剝離海洋防污涂層表面及本體性能



6. 自增強(qiáng)按需剝離海洋防污涂層廣譜抗污性能



7. 自增強(qiáng)按需剝離海洋防污涂層可回收性能


  綜上所述,該工作巧妙地將體型聚硅氧烷的自增強(qiáng)與反應(yīng)性雙親聚合物的自富集特性相結(jié)合,并協(xié)同模塊化構(gòu)筑策略,成功制備了一類兼具表面廣譜抗污,本體高強(qiáng)韌且可回收,基底高附著且按需剝離的自增強(qiáng)功能梯度涂層。該涂層為解決海洋裝備的按需臨時(shí)或持久防污提供了全新解決方案,也為新型海洋防污涂層的設(shè)計(jì)與制備提供了新思路。


  相關(guān)工作以Self-Reinforcing Gradient Antifouling Coating with High Adhesion, On-Demand Peelability, and Superior Recyclability”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上,華南理工大學(xué)博士生振強(qiáng)為本文第一作者,馬春風(fēng)教授為本文通訊作者。


  原文鏈接:https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202508400

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(責(zé)任編輯:xu)
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