壳聚糖-苯并三酮复合涂层表面粗糙度调控及其对海洋大型生物污损的抑制作用研究

为解决传统防污涂料环境毒性高、工艺复杂等问题，研究人员通过调控壳聚糖(CS)与苯并三酮(BP-3)的竞争反应，开发出具有梯度表面粗糙度(7.6-270.0 nm)的生物基防污涂层。研究发现反应时间较温度更显著影响涂层形貌，12小时反应制备的粗糙涂层(123.7 nm RMS)对贻贝幼体附着抑制率达97%，为绿色防污材料设计提供新思路。

　　

海洋生物污损是困扰人类海洋活动的全球性难题。船舶、养殖设备等水下设施表面会附着微生物、藻类乃至贝类等生物，导致燃料消耗增加、金属腐蚀加速等严重后果。传统防污涂料依赖铜、锌等有毒物质，而新型聚合物材料如聚二甲基硅氧烷(PDMS)又面临全氟化合物(PFAS)污染或工艺复杂等问题。壳聚糖(CS)作为天然抗菌聚合物虽具潜力，但其防污机制多聚焦于化学改性，对表面物理特性调控的研究仍属空白。

针对这一挑战，浙江海洋大学等机构的研究人员创新性地将防晒剂成分苯并三酮(BP-3)与壳聚糖接枝，通过调控反应条件制备出具有梯度表面粗糙度的CS-BP-3复合涂层。研究采用溶剂free的两步反应法，在不同温度(100-190°C)和时间(2/12小时)条件下合成系列材料，通过FTIR、TGA、DSC和XRD分析化学结构与物理性质，利用原子力显微镜(AFM)定量表征表面形貌，最后以贻贝(Mytilus coruscus)幼体为模型评估防污性能。

3.1 化学结构分析
红外光谱显示所有CS-BP-3样品在1738 cm^-1(C=N)和1653 cm^-1(C=O)处的吸光度呈线性关系，证实氨基与醛基的标准反应。12小时反应样品在1222 cm^-1处的特征峰显著增强，表明延长反应时间促进乙酸与壳聚糖的醚化反应。

3.2 物理性能表征
热重分析显示12小时系列样品热稳定性降低，差示扫描量热(DSC)测得结晶熔融焓从2小时系列的107.6 J/g降至62.0 J/g。X射线衍射(XRD)证实改性后壳聚糖(110)晶面衍射峰保留，但(020)晶面峰消失，表明BP-3接枝破坏了部分晶体结构。

3.3 表面特性调控
AFM揭示反应时间对表面形貌的关键影响：2小时系列涂层均方根粗糙度(R_q)为7.6-55.2 nm，而12小时系列达82.6-270.0 nm。接触角测试发现粗糙度>150 nm时出现显著Cassie-Baxter效应，190-12样品接触角达64°，表面能降至46.8 mJ/m²。

3.4 防污性能验证
72小时生物测试表明，中等粗糙度样品(120-12，R_q=123.7 nm)防污效果最佳，贻贝幼体附着率仅3%，显著优于对照组(P<0.05)。研究人员提出表面微纳结构可模拟荷叶效应，通过空气层阻隔降低生物粘附。

该研究首次系统揭示了反应时间通过调控缩合产物类型影响涂层表面粗糙度的机制，突破了传统防污材料依赖化学毒性的局限。所开发的CS-BP-3涂层兼具生物可降解性和优异防污性能，其简单的制备工艺(无需模板或复杂设备)为大规模海洋防污应用提供可能。未来通过优化反应条件，有望获得表面能更低(20-30 mJ/m²)的壳聚糖基材料，推动绿色防污技术的发展。论文发表于《International Journal of Biological Macromolecules》，为生物基功能材料设计提供了新范式。