三唑环基含氟芳香烃改性纳米氧化锌及其在海洋防污涂层中的应用研究

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生物污损物在海洋设施上的大量附着和累积,消耗航船的动力和燃料,增加温室气体的排放,破坏自然环境和气候。毒害性防污涂层对海洋环境带来污染,对海洋生物安全和人类的健康带来风险而逐渐被淘汰,研发低毒害性防污涂层任务迫在眉睫。三唑环基具有特殊的抗菌机制和良好的生物相容性,被广泛应用于生物医药抗菌领域;有望与氟元素的类氢模拟性能和强电负性的结合实现海洋环境下对污损生物附着协同防污机制。本研究利用三唑环基和含氟芳香烃改性纳米氧化锌(Zn O),将三者的抗菌性能进行有机嫁接,制备出一种低毒、高安全性的新型纳米抗菌填料,并将其与丙烯酸锌(ZA)树脂复合,制备低毒害性防污涂层。通过实验室和实海挂板实验探究了该复合涂层的力学性能和防污性能等,表明其具有较好的力学和防污特性。主要研究内容如下:(1)通过Cu(I)催化叠氮炔环点击化学反应合成了三唑环含氟芳香烃防污官能团改性的纳米Zn O(Zn O-APTES-TRF)粉体。采用傅立叶红外光谱(FT-IR)、X射线光电子能谱(XPS)和核磁共振碳谱(13C NMR)验证了纳米Zn O表面的接枝状态。探讨了温度、催化剂和Zn O表面接枝率的关系,确立当反应温度75°C,催化体系为五水合硫酸铜和抗坏血酸钠时,Zn O粉体的表面接枝率为34.82%。通过细菌菌落平板计数实验研究纯纳米Zn O和Zn O-APTES-TRF对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和假交替单胞菌的抗菌性能,结果表明:Zn O-APTES-TRF对三种细菌的抑制率都达到95%以上,远高于纯纳米氧化锌。(2)通过功能单体丙烯酸用量的调整,制备适合防污涂层需求的丙烯酸锌树脂,并对纯树脂涂层进行热重分析(TGA)、示差扫描量热曲线分析(DSC)、硬度和附着力测试。研究结果表明,当丙烯酸添加量为16%时,树脂玻璃化转变温度为38°C,树脂的热学和力学性能满足制备防污涂层的需要。将Zn O-APTES-TRF粉体和自制丙烯酸锌树脂复合制备防污涂层,涂层具有优异的表面疏水性能和抗菌效果。实海挂板结果表明,当Zn O-APTES-TRF含量为25 wt.%时,防污涂层在海洋中静态挂板90天后表面附着物非常少,其防污机制源于Zn O-APTES-TRF粉体表面的氟元素、三唑环基和低表面能的协同作用。本研究通过对纳米Zn O表面的改性,提高了其抗菌性能,和丙烯酸锌树脂复合得到低表面能涂层;涂层具有优异的海洋防污性能,在海洋渔业养殖、船舶运输等行业有潜在的应用价值。
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