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      無需預處理!應用于金屬表面的MOF基防污耐微生物腐蝕涂層

      2023-08-17 09:33:07 364



      水性色漿

      近日,東北大學的徐大可團隊受珍珠母內無定形/結晶特征的啟發,開發了一種由生物聚合物基水凝膠和致密金屬有機骨架(MOFs)組成的機械堅固防污涂層。


      本研究為綜合防污腐蝕的潛在多機理提供了獨特的見解,并開創了在海洋環境中設計下一代可靠MOFs衍生涂料的合理策略。

      微生物腐蝕是指與腐蝕體系中存在的微生物作用有關的金屬腐蝕。凡是同水、土壤和濕潤空氣相接觸的金屬構件,如輸油管道、電纜、貯油罐、貯氣罐、噴氣飛機油箱等都發現有微生物腐蝕的危害。


      據統計,微生物腐蝕在金屬和建筑材料的腐蝕破壞中占20% ,僅在天然氣工業中,微生物腐蝕損失在與管道相關的腐蝕損失即占15%—30%,且逐年上升。


      近日,東北大學的徐大可團隊受珍珠母內無定形/結晶特征的啟發,開發了一種由生物聚合物基水凝膠致密金屬有機骨架(MOFs)組成的機械堅固防污涂層??缍喑叨冉缑娑ㄖ平宦摼W絡可以提供強度、消散應變并提高構建塊的韌性,從而在各種基板上實現牢固且可擴展的配置,無論材料類別和表面拓撲如何,所得涂層作為合適的儲層表現出獨特的智能MOF降解或藥物釋放的主動防御行為,為廣譜生物污染和腐蝕控制提供了突破性的性能。


      該研究工作以題為“Nacre-Inspired Metal-Organic Framework Coatings Reinforced by Multiscale Hierarchical Cross-linking for Integrated Antifouling and Anti-Microbial Corrosion”的論文發表在國際頂級期刊《Advanced Functional Materials》上。東北大學材料學院博士生于智群和青年教師李祥宇為共同第一作者,通訊作者為徐大可教授,東北大學為第一完成單位。


      水性色漿


      本文報道了一種水凝膠錨定的MOF基涂層(HMC),該涂層模仿珠母無定形/結晶異相結構,以增強物理化學穩定性并增強其防污腐蝕性能。HMC是通過以原位滲透生物礦化方式組裝多尺度構建塊來實現的。這些構建塊由納米級增強和防污MOF單元組成,由含有海藻酸鈉(SA)、羧甲基纖維素(CMC)和聚乙烯亞胺(PEI)的復雜水凝膠粘合。


      在分層形貌和與天然珍珠層高度相似的化學成分的適當組合的鼓勵下,所得涂層不僅顯示出與表面無關的附著力,而且還具有機械堅固的防污腐蝕能力。合成的涂層可以容易均勻地涂覆在金屬、橡膠、玻璃和塑料等不同的靶材上,而無需費力的表面預處理。


      相關圖示

      圖1. 珍珠母啟發的MOF基海洋防污防腐涂層:a) 由無定型水凝膠和結晶MOF構成的高度有序微結構;b) 涂層防污耐微生物腐蝕工作原理。


      圖2. 涂層的制備與結構表征:a) 水凝膠錨定MOF生長過程;b-d) 制備過程表面微觀形貌變化;e-g) 水凝膠層和MOF基涂層的XRD譜圖、XPS譜圖和FTIR譜圖。

       


      圖3. 涂層的力學性能:a-b) 不同CMC含量水凝膠的應力-應變曲線和對應強度;c-e) 不同PEI含量水凝膠的Zeta電位、浸潤性與保水能力;f) 涂層與基底間的粘合力;g-h) 不同基底材料及復雜曲率表面的涂層生長。


      圖4. 涂層的防污性能:a) 抗蛋白質粘附性能;b-e) 普適抗菌性能;f-g) 抗藻性能;e) 銅離子釋放速率。


      圖5. 涂層的耐微生物腐蝕性能:a) 銅離子pH響應釋放行為;b-c) 電化學阻抗譜表征;d-f) 海洋微生物環境下材料表面的最大點蝕深度。


      圖6. 涂層的載藥性能:a) 載藥過程示意圖;b) 涂層BET吸附曲線;c-d) 涂層載藥效率與載藥量優化;e-f) 增強的防污防腐性能;g) 現有海洋防污涂層性能比較。


      總之,該研究展示了一種符合仿生“實體”設計的工程水凝膠錨定MOFs涂層,該涂層克服了天然MOFs的性能-加工性權衡,并實現了穩健有效的防污腐蝕應用。


      以上工作獲得了國家重點研發計劃、國家自然科學基金重點項目、中國博士后創新人才支持計劃項目、中國博士后科學基金面上項目、遼寧省自然科學基金科研啟動項目和中央高?;究蒲袠I務項目的支持。


      原文鏈接:
      https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202305995


      -END-

      來源:高分子科學前沿


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