近日,东北大学材料科学与工程学院王福会教授团队徐大可教授课题组,在海洋生物污损领域取得突破进展,相关成果以“Octopus Skin-Inspired Gradient Heterogeneous Coatings with Integrated Antifouling, Anticorrosion, and Abrasion Resistance”为题发表于国际权威期刊《Advanced Functional Materials》(DOI: 10.1002/adfm.76647)。材料学院张志鹏副教授与崔苗苗研究员为共同第一作者,徐大可教授、于滨副教授、李祥宇研究员为共同通讯作者,东北大学为第一完成单位和唯一通讯单位。
海洋腐蚀与生物污损是制约海洋装备长期安全服役的两大瓶颈,每年造成数千亿美元经济损失。涂层是目前最经济有效的策略,但传统防腐底漆-连接漆-防污面漆的多层体系普遍存在工艺复杂、层间相容性差、易剥离起泡等问题。如何在单层中实现防污、防腐与耐磨性能的有机集成,是海洋防护材料领域亟待突破的核心难题。
针对上述挑战,徐大可教授课题组从章鱼皮肤的梯度结构中汲取灵感:章鱼皮肤内部含有高度交联的胶原纤维网络提供优异韧性,表面分泌的多糖和蛋白质则形成连续水合润滑层实现高效减阻防污。受此启发,团队提出仿生梯度异质网络(Gradient Heterogeneous Network)涂层设计策略,在单层涂层中实现了三大功能的一体化协同。
课题组以二环己基甲烷-4,4’-二异氰酸酯(HMDI)、异氰酸酯封端两亲性聚脲预聚物(NAP)和异丁醛封闭三官能团聚醚胺(B-T403)为核心构筑单元,巧妙利用异氰酸酯反应活性的差异与醛亚胺逐步水解解封闭行为,实现高度交联的聚脲网络构筑。与此同时,异氰酸酯封端的两亲性聚脲预聚物(NAP)在低表面能驱动下自发向表面迁移,并同步参与交联,从而构建出结构上模拟章鱼皮肤的梯度异质网络涂层。
该涂层通过巧妙的化学网络设计实现了功能分区协同:表面富集的NAP能够形成水化层以抵御生物污损,而体相中高度交联的聚脲则通过致密氢键作用提供强附着力(>4MPa),并形成致密屏障以抵抗腐蚀;同时,聚脲韧性与氟硅润滑作用之间的协同效应进一步赋予材料优异的耐磨性能(摩擦系数<0.15)。这种网络设计理念有望为海洋工程高性能材料的开发开辟新的途径。
以上工作获得了国家重点研发计划、国家杰出青年科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金以及国家自然科学基金的支持。
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