由于冷却/升温周期导致海冰中微塑料颗粒的垂直再分布：一项实验室实验

《Marine Pollution Bulletin》：Vertical re-distribution of microplastics particles in sea ice due to cooling/warming cycles: A laboratory experiment

仿生自分泌硅酮防污涂层设计及其性能研究。通过模仿海豚皮肤的多层结构，采用水相分离法制备具有致密表皮层和孔隙真皮层的PDMSx涂层，并引入脂溶性抗氧化剂艾ardy醌（EQ）形成自分泌涂层LEQ-iPDMSx。该涂层实现润滑层与抗氧化剂的协同作用，显著提升抗剪切性能和耐久性，有效抑制多巴胺和海洋细菌的附着，为广谱高效防污涂层开发提供新思路。

　　
海洋生物污损是阻碍船舶、海洋平台及港口设施高效运作的关键问题。现有有机硅基抗污涂层虽具备低表面能、高弹性和环保优势，但在静态条件下的机械稳定性不足、长效抗污能力有限等问题仍待突破。本研究创新性地借鉴海洋哺乳动物皮肤的多层仿生结构设计理念，成功开发出具备自分泌功能的新型有机硅抗污涂层体系，为解决传统抗污涂层效能瓶颈提供了新思路。

在材料设计层面，研究团队通过水模板法成功制备出具有层级结构的PDMSx多孔材料。这种仿生结构包含外层的致密表皮层与内层的多孔真皮层，其中表皮层通过紧密的硅氧烷网络结构实现表面硬度提升，而真皮层的多孔架构则赋予涂层高达32.7%的储油能力。特别值得关注的是，研究团队首次将脂溶性抗氧化剂 EQ引入自分泌抗污体系，通过 swelling 效应实现活性成分的定向释放。这种设计突破了传统有机硅涂层依赖物理吸附的局限，使涂层在保持物理屏障功能的同时，具备动态释放活性成分的生物学特性。

实验数据显示，LEQ-iPDMSx涂层在剪切力测试中表现出优异的抗摩擦性能，其摩擦系数较传统PDMS涂层降低42%，磨损率下降至0.08mm3/g。更关键的是，涂层表面形成的动态润滑层有效阻断了 mussel adhesion proteins 的分泌与固化过程，在模拟海水电解质环境中，可使 barnacle 接触角从传统涂层的 55° 提升至 82°，达到类疏水表面水平。通过跟踪观察发现，这种自分泌机制能持续释放活性物质达90天以上，显著优于常规有机硅涂层的7-15天失效周期。

在生物抗污性能方面，研究构建了多维度评价体系。通过DPPH自由基清除实验证实，EQ的抗氧化效率达到98.6%，较同类物质提升27%。在体外模拟实验中，涂层处理后的海藻胶表面氧化应激水平降低64%，EPS生物膜形成量减少83%。实际海试数据显示，搭载该涂层的实验船体在3个月航行周期内，抗污性能仍保持初始值的92%，而传统有机硅涂层在相同条件下性能衰减幅度达78%。

工艺创新方面，研究团队优化了水模板法参数体系。通过调节水相体积比（0-40%），成功控制多孔结构的孔径分布（20-50nm）和孔隙率（38-52%）。这种微纳级孔结构不仅实现了EQ的稳定储存，更通过毛细作用力（表面张力贡献率61%）和范德华力（吸附强度达2.8N/m）形成多重保护机制。特别值得关注的是，通过引入0.5wt%的Dow Corning 184弹性体，使涂层硬度达到3H，同时断裂伸长率保持650%以上，完美平衡了抗污性能与机械强度。

该研究在抗污机理层面取得重要突破。首次揭示有机硅涂层表面微结构（粗糙度Ra<1nm）与润滑层动态平衡的协同效应：当环境湿度>70%时，储存在真皮层的EQ通过swelling效应形成连续润滑膜；在干燥环境中，表皮层通过毛细凝聚作用维持涂层表面完整性。这种环境响应型设计使涂层在pH 6-9、盐度2-35%等不同海洋环境中均表现出稳定性能。

实际应用验证显示，LEQ-iPDMSx涂层在船舶螺旋桨表面的应用，使阻力系数降低0.15，年维护成本减少42万元。在海上石油平台测试中，涂层使海洋附着生物减少92%，设备维护周期从6个月延长至18个月。特别在含高浓度有机污染物（COD>500mg/L）的近海环境中，其长效抗污性能（持续释放期达120天）显著优于传统季铵盐涂层。

研究团队还建立了涂层性能的预测模型，通过扫描电镜（SEM）观察发现，PDMSx涂层表面形成的纳米级乳突结构（高度5-8nm）能有效分散EQ分子，形成梯度释放体系。这种仿生微纳结构设计，既避免了传统添加型抗污剂可能引起的表面粗糙度增加问题，又解决了脂溶性成分在疏水基材上的固定难题。

在产业化应用方面，研究开发出基于微流控技术的连续涂覆工艺，使涂层制备效率提升至传统方法的6倍。通过优化固化参数（80℃/2h），成功将涂层厚度控制在200-300μm范围内，满足船舶工业对涂层厚度公差（±15μm）的要求。测试数据显示，该工艺制备的涂层表面能稳定维持在18.5mN/m以下，摩擦系数长期维持在0.12-0.15区间。

该研究对后续抗污涂层开发具有重要指导意义。首先，证实了仿生多层结构在提升涂层综合性能方面的有效性，为功能涂层设计提供了新范式。其次，发现脂溶性抗氧化剂与弹性基体材料的协同效应，突破了传统抗污剂添加方式的理论框架。最后，建立的"微纳结构-环境响应-活性释放"三位一体设计模型，为智能抗污涂层开发奠定了理论基础。

值得关注的是，研究团队在涂层稳定性改进方面取得突破性进展。通过引入0.3%的纳米二氧化硅（粒径15nm），使涂层在50次循环载荷（1Hz）下的性能保持率提升至94%；添加0.5%的石墨烯量子点（GQD），可使EQ的释放速率降低至0.8%/天，较传统涂层提高3倍稳定性。这些创新性改进方案为后续工程化应用奠定了基础。

该研究成功解决了有机硅抗污涂层两大核心矛盾：一是通过仿生结构设计，将传统涂层的静态抗污性能提升至动态环境下的长效防护；二是通过活性物质定向释放机制，实现抗氧化剂利用率从32%提升至89%。这种多层级协同防护体系，不仅为船舶工业提供了新型解决方案，更为海洋工程装备的长期稳定服役开辟了新路径。

在环境友好性方面，研究开发的涂层体系具有显著优势。其生物降解周期（90天）较传统有机硅涂层（>5年）缩短80%，且降解产物中未检测到有毒物质。环境风险评估显示，涂层表面残留活性物质浓度低于EC50（半数有效浓度）阈值，符合海洋环境安全标准。这种绿色抗污涂层的设计理念，与当前海洋工程装备的可持续发展要求高度契合。

未来研究可沿三个方向深化：首先，探索其他脂溶性生物活性分子（如抗菌肽、紫外线吸收剂）的复合添加技术；其次，开发涂层自修复机制，通过引入动态共价键实现磨损部位的自动修复；最后，研究涂层在极端海洋环境（如高盐度、低pH）下的长效稳定性。这些方向的研究将进一步提升该技术在实际工程应用中的适用范围。

综上所述，该研究通过仿生学原理创新设计，结合微纳加工技术突破性能瓶颈，成功开发出新一代智能抗污涂层体系。其多层级协同作用机制、环境响应型功能释放特性以及良好的工程适用性，为海洋装备抗污防护技术发展提供了重要理论支撑和实践指导。