一种新型基于PDMS的涂层，结合了辣椒素和经过TiO?改性的碳纳米管（CNTs）：该涂层在海水中的防污和防腐蚀性能及其作用机制

《Progress in Natural Science: Materials International》：A novel PDMS-based coating incorporated with capsaicin and TiO 2-modified CNTs: Performance and mechanisms of antifouling and anticorrosion in seawater

本研究开发了一种新型PDMS基抗污涂层，整合CAP-TiO?@CNTs复合材料，显著提升机械性能、抗菌及抗腐蚀能力，对蛋白质和细菌附着减少分别达97%和99%，阻抗提高至2.52×10^10 Ω·cm2，适用于船舶和海上风力涡轮机基座。

　　在海洋环境中，生物污损（biofouling）是一个长期存在的问题，它不仅影响船舶和海洋结构的性能，还可能对生态系统造成破坏。为了应对这一挑战，研究人员一直在探索新型的抗生物污损涂层材料。近期，一项新的研究提出了一种基于羟基端基聚二甲基硅氧烷（PDMS）的抗生物污损涂层，该涂层结合了辣椒素（CAP）修饰的多壁碳纳米管（CNTs）和二氧化钛（TiO?）纳米颗粒，展现出优异的抗生物污损、机械性能和防腐蚀特性。

这种新型涂层的核心在于其独特的复合填料设计。通过将CAP和TiO?纳米颗粒共价修饰在CNTs表面，研究人员成功构建了一个具有协同效应的复合体系。这种设计不仅解决了传统PDMS涂层在粘附性和静态抗生物污损方面的不足，还显著提升了涂层的机械强度和环境适应性。CAP作为一种天然来源的生物杀灭剂，以其出色的抗菌性能和良好的生物降解性受到广泛关注。而TiO?纳米颗粒则因其优异的光催化性能和化学稳定性，在防腐蚀和抗污损方面表现出色。CNTs作为结构支撑材料，不仅具有出色的机械性能，还能够提供较大的比表面积，有助于增强复合材料的综合性能。

在实验过程中，研究人员采用了简单的物理混合方法，将CAP-TiO?@CNTs复合填料与商用PDMS基质结合，形成了一种新型的抗生物污损涂层。这种方法不仅降低了制备过程的复杂性，还保证了材料的可扩展性和经济可行性。通过扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDX）分析，研究人员确认了CAP和TiO?纳米颗粒在CNTs表面的成功接枝。这些分析结果表明，复合填料在PDMS基质中实现了良好的分散性，避免了纳米颗粒的聚集现象，从而确保了涂层的均匀性和稳定性。

为了评估涂层的性能，研究人员进行了多种测试。首先，机械性能测试显示，与原始PDMS涂层相比，含有7% CAP-TiO?@CNTs复合填料的涂层在应力-应变特性上表现出显著提升，其粘附性能更是提高了六倍以上。这表明，该复合涂层在物理结构上更加坚固，能够更好地抵抗海水中的机械应力，从而延长其使用寿命。其次，通过海水浸泡实验，研究人员发现该涂层在减少蛋白质吸附方面表现出色，其蛋白质吸附量减少了超过97%。这种性能主要得益于CAP的缓慢释放机制，它在特定的pH条件下通过水解作用释放，从而在不破坏环境的前提下提供持续的抗生物污损效果。

在抗菌性能方面，该涂层对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）的抑制效果达到了99%以上。这一结果表明，CAP在涂层中具有良好的生物活性，能够在较长时间内维持抗菌效果，而TiO?纳米颗粒则通过其光催化特性进一步增强了涂层的抗菌能力。此外，该涂层在减少微藻附着和宏观污损方面也表现出显著优势。这使得该材料在实际应用中，能够有效防止不同类型的生物污损，提高海洋设备的运行效率和使用寿命。

除了抗生物污损性能，该涂层还展现出良好的防腐蚀能力。通过电化学阻抗谱（EIS）测试，研究人员发现，与原始PDMS涂层相比，含有7% CAP-TiO?@CNTs复合填料的涂层在0.01 Hz频率下的阻抗值显著提高，从3.57×10? Ω·cm2增加到2.52×101? Ω·cm2。这一结果表明，该涂层能够有效阻止海水中的腐蚀性物质对金属基材的侵蚀，从而延长结构的使用寿命。这种防腐蚀性能的提升，主要得益于TiO?纳米颗粒和CNTs的协同作用，它们在涂层中形成了稳定的屏障结构，减缓了腐蚀过程的发生。

该研究还强调了材料的环境友好性。CAP作为一种天然来源的生物杀灭剂，具有良好的生物降解性和低毒性，避免了传统抗生物污损材料中可能存在的环境风险。同时，TiO?纳米颗粒在光照条件下能够分解有机污染物，进一步增强了涂层的环保性能。这些特性使得该新型涂层在实际应用中更具优势，特别是在需要长期使用和环保要求较高的场景下。

此外，该涂层在保持优异性能的同时，还展现出良好的柔韧性。机械测试结果表明，尽管涂层的机械强度得到了显著提升，但其柔韧性并未受到明显影响。这一特性对于海洋环境中的应用尤为重要，因为海洋环境往往伴随着复杂的水流和机械应力，涂层需要具备一定的柔韧性以适应这些变化，避免因脆性而导致的损坏。

总的来说，这项研究提出了一种基于PDMS的抗生物污损复合涂层，其设计融合了多种先进材料的优势，不仅解决了传统PDMS涂层在粘附性和静态抗生物污损方面的不足，还显著提升了涂层的机械性能和防腐蚀能力。这种新型涂层在减少生物污损的同时，还具备良好的环境适应性和经济可行性，为海洋工程和工业应用提供了新的解决方案。未来，随着进一步的研究和优化，这种材料有望在船舶、海上风电桩和其他海洋基础设施中得到广泛应用，为解决海洋生物污损问题提供更加高效和环保的途径。