王立平、赵文杰等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

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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。

图1 聚席夫碱金属络合物基防污材料结构设计

图2 抗生物污损性质

　　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。
　　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：（1）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；（2）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；（3）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；（4）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。
　　该研究工作以“Cross-Linked but Self-Healing and Entirely Degradable Poly-Schiff Base Metal Complexes Materials for Potential Anti-Biofouling”为题，发表在材料领域国际期刊Advanced Materials Interfaces, 2022, 9 (9), 2101920（https://doi.org/10.1002/admi.202101920），并被选为新一期背封面文章。该研究得到了国家自然科学基金（52103133）、国家重点基础研究计划（973）（2014CB643305）、中科院青年创新促进会（2017338）和浙江省重点技术项目（2022C01183）等项目的资助。


       文章来源：宁波材料所
       王立平 ，博士，研究员，博士生导师，2002年于宁夏大学获学士学位；2007年获中国科学院兰州化学物理研究所博士学位；2008年10月-2009年4月于英国南安普顿大学皇家学会访问学者；2012年3月-9月于瑞典乌普萨拉大学高级研究学者。2010年-2015年于中科院兰州化学物理研究所历任研究员，课题组长，博士生导师，固体润滑国家重点实验室副主任。2015年9月进入中科院宁波材料技术与工程研究所。2013年获得国家自然科学基金“优秀青年基金项目”资助；2014年获得甘肃省“杰出青年基金项目”资助；2014年入选“中国科学院卓越青年科学家培养计划“项目和2014年“万人计划”青年拔尖人才。
       赵文杰，博士，研究员，硕士生导师。招生方向：表界面化学与物理，海洋工程防护技术。2005年6月毕业于河北大学化学系，获学士学位；2005年9月-2010年6月就读于中科院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室，获材料学博士学位；2010年6月-2012年7月在中科院宁波材料技术与工程研究所从事博士后研究工作；博士后出站后即留所工作，2012年12月晋升为副研究员，2013年5月入选宁波材料所“春蕾行动”人才计划。在JPCC，ACS Applied Materials&Interface，RSC advances，Colloids and Surfaces A，Tribology International，摩擦学学报、中国表面工程等国内外重要学术期刊上发表科研论文50篇，其中SCI论文32篇，EI论文4篇；申请国家发明专利19项，其中7项已授权；参与摩擦学百科全书编写，负责“solid-like lubricating films, ionic liquids films”词条的撰写。目前主要从事海洋防护功能涂层的制备、化学改性、表面形貌设计及其防护服役性能研究；作为项目负责人，在研项目包括国家自然科学基金、浙江省公益计划、宁波市重大科技专项和宁波市自然科学基金等，作为骨干成员参与了973项目、国家自然科学基金重点基金和浙江省重点科技创新团队等项目；已顺利结题宁波市自然科学基金、中国博士后科学基金和浙江省博士后择优资助等项目。是Langmuir, ACS Applied Materials & Interface, RSC Advances, Industrial & Engineering Chemistry Research, Journal of Composite Materials, Colloids and Surfaces A, Surface and Interface Analysis, Tribology International, 摩擦学学报、中国表面工程、中国材料进展等多个学术期刊的审稿人。