无需预处理!应用于金属表面的MOF基防污耐微生物腐蚀涂层

2023-08-17 09:33:07 372



水性色浆

近日,东北大学的徐大可团队受珍珠母内无定形/结晶特征的启发,开发了一种由生物聚合物基水凝胶和致密金属有机骨架(MOFs)组成的机械坚固防污涂层。


本研究为综合防污腐蚀的潜在多机理提供了独特的见解,并开创了在海洋环境中设计下一代可靠MOFs衍生涂料的合理策略。

微生物腐蚀是指与腐蚀体系中存在的微生物作用有关的金属腐蚀。凡是同水、土壤和湿润空气相接触的金属构件,如输油管道、电缆、贮油罐、贮气罐、喷气飞机油箱等都发现有微生物腐蚀的危害。


据统计,微生物腐蚀在金属和建筑材料的腐蚀破坏中占20% ,仅在天然气工业中,微生物腐蚀损失在与管道相关的腐蚀损失即占15%—30%,且逐年上升。


近日,东北大学的徐大可团队受珍珠母内无定形/结晶特征的启发,开发了一种由生物聚合物基水凝胶致密金属有机骨架(MOFs)组成的机械坚固防污涂层。跨多尺度界面定制交联网络可以提供强度、消散应变并提高构建块的韧性,从而在各种基板上实现牢固且可扩展的配置,无论材料类别和表面拓扑如何,所得涂层作为合适的储层表现出独特的智能MOF降解或药物释放的主动防御行为,为广谱生物污染和腐蚀控制提供了突破性的性能。


该研究工作以题为“Nacre-Inspired Metal-Organic Framework Coatings Reinforced by Multiscale Hierarchical Cross-linking for Integrated Antifouling and Anti-Microbial Corrosion”的论文发表在国际顶级期刊《Advanced Functional Materials》上。东北大学材料学院博士生于智群和青年教师李祥宇为共同第一作者,通讯作者为徐大可教授,东北大学为第一完成单位。


水性色浆


本文报道了一种水凝胶锚定的MOF基涂层(HMC),该涂层模仿珠母无定形/结晶异相结构,以增强物理化学稳定性并增强其防污腐蚀性能。HMC是通过以原位渗透生物矿化方式组装多尺度构建块来实现的。这些构建块由纳米级增强和防污MOF单元组成,由含有海藻酸钠(SA)、羧甲基纤维素(CMC)和聚乙烯亚胺(PEI)的复杂水凝胶粘合。


在分层形貌和与天然珍珠层高度相似的化学成分的适当组合的鼓励下,所得涂层不仅显示出与表面无关的附着力,而且还具有机械坚固的防污腐蚀能力。合成的涂层可以容易均匀地涂覆在金属、橡胶、玻璃和塑料等不同的靶材上,而无需费力的表面预处理。


相关图示

图1. 珍珠母启发的MOF基海洋防污防腐涂层:a) 由无定型水凝胶和结晶MOF构成的高度有序微结构;b) 涂层防污耐微生物腐蚀工作原理。


图2. 涂层的制备与结构表征:a) 水凝胶锚定MOF生长过程;b-d) 制备过程表面微观形貌变化;e-g) 水凝胶层和MOF基涂层的XRD谱图、XPS谱图和FTIR谱图。

 


图3. 涂层的力学性能:a-b) 不同CMC含量水凝胶的应力-应变曲线和对应强度;c-e) 不同PEI含量水凝胶的Zeta电位、浸润性与保水能力;f) 涂层与基底间的粘合力;g-h) 不同基底材料及复杂曲率表面的涂层生长。


图4. 涂层的防污性能:a) 抗蛋白质粘附性能;b-e) 普适抗菌性能;f-g) 抗藻性能;e) 铜离子释放速率。


图5. 涂层的耐微生物腐蚀性能:a) 铜离子pH响应释放行为;b-c) 电化学阻抗谱表征;d-f) 海洋微生物环境下材料表面的最大点蚀深度。


图6. 涂层的载药性能:a) 载药过程示意图;b) 涂层BET吸附曲线;c-d) 涂层载药效率与载药量优化;e-f) 增强的防污防腐性能;g) 现有海洋防污涂层性能比较。


总之,该研究展示了一种符合仿生“实体”设计的工程水凝胶锚定MOFs涂层,该涂层克服了天然MOFs的性能-加工性权衡,并实现了稳健有效的防污腐蚀应用。


以上工作获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目、中国博士后创新人才支持计划项目、中国博士后科学基金面上项目、辽宁省自然科学基金科研启动项目和中央高校基本科研业务项目的支持。


原文链接:
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202305995


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来源:高分子科学前沿


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