含辣素双网络水凝胶在海洋生物防污中的性能及应用研究

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海洋生物污损是指一些材料如船舶底部或者其他海洋设施表面浸没在海水环境中,在一定的时间范围内会有污损生物进行附着,生长,积累的过程,会造成很多不利的影响,为解决这一难题,人们迫切开发出了许多手段以应对。但是防污策略目前面临着传统有毒防污涂料会对海洋生态环境造成明显和潜在的危害的难题。因此,防污策略逐渐向环境友好的路线发展。水凝胶作为一种内部富含有大量水的三维网络结构的材料,通常表现出高亲水性,高溶胀,低机械性能的特点,由于其表面能够捕获大量的水分子形成一层致密的水膜使得水凝胶材料表面拥有一层屏障,对微生物具有空间、静电排斥作用,而成为一种非常具有发展潜力的防污材料。但是,在复杂的海洋环境中,多数水凝胶由于其自身机械性能差,稳定性不足,防污持久性差而限制了其有效应用。因此,迫切需要开发出具有实用性的水凝胶防污涂层。本文基于环保理念筛选出一种具有绿色环保高效的防污剂辣椒素类似物N-(4-羟基-3-甲氧基-苯甲基)丙烯酰胺(简称HMBA),HMBA通过Friedel-Crafts反应制备而成,利用核磁共振与傅里叶红外谱验证了HMBA的成功生成。首先,将这种功能性单体利用聚合反应固定在聚合物链上制备了双网络水凝胶材料,以“一锅法”的手段将丙烯酰胺(AM)和HMBA以及聚乙烯醇(PVA)在以二甲基亚砜(DMSO)和水(H2O)的混合液作为溶剂溶解均匀,通过自由基聚合使得AM和HMBA交联成为一个网络,再通过冷冻法使PVA交联成为一个网络。研究表明,在双网络水凝胶PAHX中随着HMBA浓度的提高可显著降低双网络水凝胶的溶胀率,增加凝胶的交联度,提高凝胶的机械强度以及防污能力。一系列表征证明该双网络水凝胶的构建可弥补单网络水凝胶的性质上的缺陷,是一种很有应用潜力的海洋防污涂层。在构建出PVA-PAHX水凝胶的基础上,本文又通过“两步法”制备了含有HMBA的异质双网络有机水凝胶,首先通过热引发自由基聚合反应得到了聚N,N-二甲基丙烯酰胺(DMA)水凝胶框架(HPN),将脱水后的HPN灌入以甲基丙烯酸乙酯(EMA)、甲基丙烯酸月桂酯(LMA)和HMBA构成的有机凝胶预聚液(OPN)后,以紫外线引发自由基聚合得到有机水凝胶(HOPN)。改变有机凝胶中EMA,LMA,HMBA的含量可改变HOPN的整体性质,当凝胶体系中含有HMBA时可以得到具有较好机械强度和防污效果的有机水凝胶。当有机凝胶网络中LMA含量较低时EMA含量较高时,所制备的有机水凝胶具有优异的力学性能和防污效果。有机凝胶和水凝胶的互穿结合可以很好的提升有机水凝胶本体的力学性能,在-20°C至50°C的范围内有着稳定的机械性能,并有着良好的抗硅藻污损能力。
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