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寧波材料所在防污型復(fù)合水凝膠方面取得重要進(jìn)展

2016-12-19 10:19:20 作者：本網(wǎng)整理來源：寧波材料所分享至：

固體材料表面蛋白質(zhì)的吸附、細(xì)胞及其他微生物的粘附會造成嚴(yán)重的生物污染，給生物醫(yī)藥領(lǐng)域、水凈化處理、船舶、紡織品等工業(yè)領(lǐng)域造成重大危害。每年因生物污染造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)上百億美元。水凝膠是一類以化學(xué)鍵或者物理交聯(lián)作用形成得高度親水化聚合物，兼具固體的穩(wěn)定性和液體流動性，可以高效抑制污損生物黏附，同時具有低毒、生物相容性好等優(yōu)點，是一類綠色防污材料。但是傳統(tǒng)的水凝膠機(jī)械力學(xué)性能差和功能單一等缺點極大的限制了水凝膠的實際應(yīng)用。因而構(gòu)建多種防污機(jī)制協(xié)同作用的復(fù)合型高力學(xué)強(qiáng)度水凝膠具有重要的意義。

中國科學(xué)院寧波材料所海洋功能材料團(tuán)隊長期致力于復(fù)合型防污水凝膠材料研究。以復(fù)合化和功能化為導(dǎo)向，通過有機(jī)無機(jī)復(fù)合策略構(gòu)筑了多種新型復(fù)合防污水凝膠。通過雙網(wǎng)絡(luò)策略，在兩性聚電解質(zhì)水凝膠網(wǎng)絡(luò)中引入聚丙烯酰胺第二重網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了一類兩性聚電解質(zhì)/聚丙烯酰胺雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠（圖一），機(jī)械力學(xué)性能提高了5-10倍，帶不同電荷的雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠對細(xì)菌和藻類表現(xiàn)出選擇性抑制作用（RSC Adv., 2016, 6, 4734）。通過有機(jī)無機(jī)復(fù)合策略，將季銨鹽化的超支化聚乙烯亞胺納米粒子引入HEMA水凝膠體系中構(gòu)建了一類新型納米復(fù)合水凝膠，其斷裂拉升強(qiáng)度比HEMA水凝膠提高了3倍，季銨鹽化超支化聚乙烯亞胺納米粒子的引入使得納米復(fù)合水凝膠表現(xiàn)出了優(yōu)異的抗菌、抗藻防污性能（RSC Adv., 2016, 6, 60530）。

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圖一：A）雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠的制備示意圖；B）牛血清蛋白（BSA）在水凝膠表面黏附量；C）海藻在水凝膠表面的黏附量；

在此研究基礎(chǔ)上，通過在水凝膠骨架上修飾聚硫醚樹枝狀官能團(tuán)構(gòu)筑了水凝膠/納米銀納米復(fù)合材料（圖二），硫醚鍵和銀離子之間的強(qiáng)螯合作用使得水凝膠的載銀量提高了將近30倍；螯合作用以及水凝膠的包裹作用有效地穩(wěn)定了納米銀，通過調(diào)控硫醚官能團(tuán)可以有效調(diào)控納米銀尺寸（10-25 nm），小尺寸納米銀賦予了水凝膠優(yōu)異的抗菌、抗藻防污性能，同時納米銀的緩釋極大延長了這類復(fù)合材料的防污時效（Polym. Chem., 2015, 6, 625； Colloid Polym Sci., 2016, 294，2021-2028）。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，納米銀和硫醚鍵之間的動態(tài)配位作用賦予了這類水凝膠很好的自修復(fù)性能（New J. Chem., 2016, DOI 10.1007/s00396-016-3967-7）。

圖二：A）樹枝狀水凝膠/納米銀復(fù)合水凝膠的制備示意圖；B）水凝膠的載銀行為；C）海藻在復(fù)合水凝膠表面的黏附狀態(tài)；D）復(fù)合水凝膠抗菌行為；

最近，將上述發(fā)展的納米銀/水凝膠體系與低表面能有機(jī)硅彈性體有機(jī)結(jié)合起來，構(gòu)筑了一種新型的硅水凝膠/納米銀復(fù)合防污涂層（圖三），二者形成了互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對海草、藤壺和水螅等污損生物具有明顯的抑制吸附作用， 1號樣品（對照樣）實海掛片3個月后表面有大量的海草附著，6個月后藤壺附著量明顯增加；5號樣品（硅水凝膠/納米銀復(fù)合涂層）表面幾乎沒有海草、藤壺等污損生物附著，因而具有很好的應(yīng)用前景。

圖三：有機(jī)硅水凝膠/納米銀復(fù)合防污涂層實海掛片圖