英文原題：Silicone-Based Fouling-Release Coatings for Marine Antifouling

通訊作者：馬春風，張廣照，華南理工大學

作者：Peng Hu (胡朋), Qingyi Xie (謝慶宜), Chunfeng Ma (馬春風), Guangzhao Zhang (張廣照)

海洋生物污損是一個全球性難題。它會降低船舶航行速度，增加燃油消耗以及溫室氣體排放，同時也會阻塞海水輸送管道、加速金屬設施腐蝕。使用殺生型防污涂層是目前主要的防護措施，但其往往會對海洋環境造成不利影響。有機硅基污損脫附型涂層(FRC)因具有低表面能、高彈性、表面光滑等特性，使得污損生物不易于粘附或附著不牢，僅通過物理作用達到防污目的，是最有前景的無毒環保污損防護技術。但是，它還存在機械強度低、漆膜粘附力低、靜態防污能力差等問題，這極大地限制了其在海洋工業中的應用。

針對這些問題，國內外學者發展了多種改善有機硅防污涂層性能的方法。為提高涂層的力學性能，研究人員將海泡石、碳納米管、石墨烯等無機粒子通過物理共混引入到有機硅中，提高了材料的韌性與拉伸強度。還可以利用化學方法，引入氨基甲酸酯鍵、脲鍵、環氧基團等提高材料的粘附力與剛性。以往有機硅的防污性能很大程度上依賴于強水流的沖刷，靜態防污能力弱是一個亟待解決的難題。引入兩親性添加劑、兩性離子、季銨鹽以及防污劑等是有效的方法。例如，有較多研究報道將兩親性添加劑共混或接枝到聚二甲基硅氧烷(PDMS)中。然而，共混會使添加劑不斷釋放，導致抗污性能下降以及對環境造成影響；而在接枝體系中，由于有機硅的低表面能，大部分添加劑被包埋在涂層本體中，無法發揮污損阻抗性能。華南理工大學團隊最近報道了一種非釋放、表面自富集兩親性調聚物改性的有機硅防污涂層(圖)。由于該調聚物中氟碳酯與有機硅不相容，且含氟聚合物表面能極低，因而在成膜過程中調聚物自富集于涂層表面，發揮聚乙二醇(PEG)的污損阻抗功能。同時通過硅烷偶聯劑作用固定于表面，不會釋放到海洋環境中，生態友好。該材料展示了優異的抗蛋白、抗細菌及其生物膜、抗硅藻粘附能力。

圖 1. 非釋放-自富集兩親性調聚物有機硅防污涂層

通過類似的方法，該團隊采用疏水的防污劑替代了親水的PEG，合成了氟碳酯-防污劑調聚物并接枝到PDMS中，以降低涂層吸水率并提高防污的廣譜性(圖2)。該材料在室內生物評價及實海六個月的靜態浸泡實驗中都展現優異的防污能力。特別是團隊利用自行搭建的三維數字全息顯微鏡研究了海洋細菌在材料近界面的運動軌跡，發現細菌呈現出“不愿靠近”的運動行為，在微觀尺度揭示了材料可抑制污損生物附著的原理。

圖 2. 非釋放-自富集防污官能團有機硅防污涂層

該綜述還總結了仿生有機硅防污涂層，包括超滑有機硅、可變形有機硅以及自修復有機硅等。例如，該團隊首次報道將自修復的性質引入到海洋防污涂層中(圖3)，材料無論是在海水還是空氣中，都具有優異的常溫自修復能力，材料破損后可在48小時內恢復100%的拉伸強度。該材料還可以實現對環境友好防污劑的可控、穩定釋放，在長期的實海掛板實驗中展示了優異的防污性能。

圖3. 自修復有機硅防污涂層

綜述還特別介紹了硅基硬質防污涂層研究進展。例如，該團隊通過溶膠-凝膠法制備了一種柔性硬質海洋防污涂層(圖4)。該涂層兼具有聚合物和陶瓷的性質(即柔性陶瓷)，表現出高硬度、高附著力、耐磨性，同時還具有污損脫附和污損阻抗性能，是FRC重要的拓展。

圖 4. 柔性硬質海洋防污涂層

該綜述已發表于Langmuir，并以ACS Editors' Choice形式亮點報道。該論文得到了國家自然科學基金項目(National Science Foundation of China, 51573061 and 51673074)的支持。