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| 納米無(wú)機填料在環(huán)保防污涂料中的應用研究進(jìn)展 |
| 來(lái)源：中國粉體技術(shù)網(wǎng) 更新時(shí)間：2015-05-06 10:46:14 瀏覽次數： |
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（中國粉體技術(shù)網(wǎng)/班建偉）任何一種浸在海水中的表面都會(huì )受到海洋生物（如細菌，藻類(lèi)，軟體動(dòng)物以及浮游生物等）的附著(zhù)，這種現象則被稱(chēng)為污損或海洋污損。海洋污損附著(zhù)在船體上不僅增加了船舶本身的重量和行進(jìn)時(shí)的阻力，造成了更多的燃料消耗，同時(shí)還縮短了船舶使用年限，增加了昂貴的維護費用。
納米材料由于其體積效應、表面效應等特殊性能，可與涂料中的其他顏填料結合而在表面形成分等級的結構。同時(shí)，某些納米材料還具有光催化、耐老化、量子尺寸效應和抗菌性等優(yōu)點(diǎn)。因此，研究含有納米材料或分級結構的防污涂料以替代TBT 自?huà)伖馔苛?，已?jīng)成為國內外環(huán)保型海洋防污涂料的主要研究方向。
1 基于納米材料的防污涂料研究進(jìn)展
目前，納米材料在海洋防污涂料中的使用主要有3 種形式：（1）利用納米材料本身的抗菌性來(lái)增強涂料的抗污效果；（2）將納米顆粒作為功能性藥物載體，實(shí)現對防污劑的緩慢釋放功能；（3）通過(guò)納米顆粒制備出具有納米級結構的防污涂層表面，通過(guò)控制涂層表面微結構來(lái)抑制或組織無(wú)損生物的附著(zhù)。
本文主要綜述了幾種常見(jiàn)的用于海洋防污涂料中的納米材料，包括SiO2、TiO2、ZnO、碳納米管等，初步探討了其對涂層防污性能的影響。
1.1 基于SiO2 型防污涂料
對于含有防污劑的防污涂料來(lái)說(shuō)，其重要性能要求之一就是具有最佳防污劑釋放速率，防污劑釋放過(guò)快會(huì )導致防污組分過(guò)早和過(guò)快的消耗，同時(shí)也引起海水中不必要的高濃度，而釋放過(guò)慢則會(huì )毫無(wú)疑問(wèn)的引起海洋污損。Yuan Le 等制備了小于60nm的Ag/SiO2 殼核結構作為海洋抗菌抗腐蝕丙烯酸涂層的填料，電感耦合等離子體發(fā)射光譜測試結果表明，相比同一時(shí)期的Cu2+，Ag+ 從基體樹(shù)脂的滲出率更低。而Chen Meiling 等利用納米SiO2 制備出具有微納米分等級結構的涂層，納米SiO2 的加入降低了涂層的表面能，同時(shí)在一定程度上改善了其防污性能。Hao Wu 等制備了硅烷偶聯(lián)劑和聚乙二醇修飾的PVDF 復合膜用作水處理凈化，SiO2 作為一種載體促進(jìn)了PDMS 和PEG 分子在膜表面的遷移，提高了膜的防污性能。然而也有研究表明，不能水化的納米粒子可能對魚(yú)類(lèi)，浮游生物，甚至深海中的哺乳動(dòng)物等造成危害，因此，研究可水化且無(wú)毒的納米粒子改性防污涂料尤為重要。
1.2 基于TiO2/ZnO 型防污涂料
在光照下，納米TiO2 和ZnO 可產(chǎn)生具有強氧化能力的氧自由基或羥基自由基來(lái)分解有機污染物，從而產(chǎn)生較強的廣譜抗菌活性。但由于羥基自由基的高反應速率常數，光反應只局限于光催化劑表面，這也限定了光殺死區是近表面的。
Carl 等將納米TiO2 和碳納米管作為填料加入到聚二甲基硅氧烷（PDMS）樹(shù)脂中，在紫外光照射下納米TiO2 可阻止幼蟲(chóng)附著(zhù)，提高了PDMS 樹(shù)脂的污損脫除效果。在紫外光照射下光催化時(shí)，包覆TiO2 減少了幼蟲(chóng)的附著(zhù)，甚至在很低的納米填料濃度（3.75（wt）%）時(shí)，尤其是暴露于光催化TiO2 的具足面盤(pán)幼蟲(chóng)有100%的死亡率。
Peng Gao 等制備了多功能的氧化石墨-TiO2 微球分等級膜，通過(guò)組裝GO-TiO2 到聚合物膜上，TiO2 在光照下分解有機物使聚合物膜具有持續的高水通量。
李善文等用正交實(shí)驗法考察了以納米TiO2 為改性劑的低表面能海洋防污涂料，由實(shí)海掛板試驗發(fā)現，加入的nano-TiO2 可使涂料的污損海生物附著(zhù)量大大減少，其防污效果得到了明顯提高。
ZnO 納米顆粒對革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽(yáng)性菌都有抗菌效果，甚至對耐高溫高壓的孢子也有抗菌活性。此外，抗菌活性主要與比表面積和濃度有關(guān)，越小的ZnO 顆?？咕钚栽胶?，而與顆粒形狀和結晶度關(guān)系不大。它的抗菌機理可能是因為Zn2+的釋放或細菌細胞壁和ZnO 納米粒子的相互作用導致的損害。
Robert 等研究了金屬氧化物納米顆粒對浮游植物的影響，ZnO 納米顆粒對浮游植物的毒性主要是因為Zn2+ 的溶解、釋放和攝取。LiguoShen 等以納米ZnO 為填料制備系列聚醚砜薄膜，以牛血清蛋白為模擬污損物證明，加入納米ZnO 可有效提高薄膜的防污性能。Erjun Tang 等制備了聚甲基丙烯酸修飾的納米ZnO 顆粒，納米ZnO 表面的羥基可和聚甲基丙烯酸的羧酸基反應生成聚甲基丙烯酸鋅，抑制了納米ZnO 顆粒的團聚。
1.3 基于碳納米管CNT 型防污涂料
碳納米管（carbon nanotubes,CNT）在經(jīng)過(guò)表面修飾之后可形成納米復合材料，其殺蟲(chóng)劑性能、抗蛋白質(zhì)污損及污損釋放性能使它在生物污損防治中成為完美材料，但其防污機理目前仍無(wú)清晰的解釋。目前合成或制備與修飾CNT 抗蛋白質(zhì)材料的方法有：（1）添加表面活性劑；（2）抗蛋白質(zhì)聚合物的使用；（3）以及酶基生物膜降解。見(jiàn)圖1。
 Xiaobao Qi 等以聚乙二醇作為連接劑制備了共價(jià)鍵固定抗生素頭孢氨芐的多壁碳納米管，發(fā)現其大大提高了對革蘭氏陰性菌（大腸桿菌和銅綠假單胞菌）和革蘭氏陽(yáng)性菌（葡萄球菌和芽孢桿菌）的抗菌和抗粘附性能。Fateme Irani 等以原始的和氟化的MWNTs 為填料制備了聚二甲基硅氧烷污損釋放涂層，結果表明盡管兩種MWNTs 的用量很少，但可改變涂層的表面性能，氟化的MWNTs 提高了涂層的污損釋放性能，與沒(méi)有填料的涂層相比，減少了67%的假藤壺的附著(zhù)力。
2 基于納米材料的防污涂料研究展望
綜上所述，在海洋防污涂料中加入改性納米填料可有效提高涂層綜合性能，同時(shí)，由于納米填料本身的抗菌性或尺度效應，在一定程度上可以減緩或抑制污損的形成，為未來(lái)環(huán)保型海洋防污涂料的開(kāi)發(fā)研究提供了一新的方向。但目前為止，納米填料對人體或生態(tài)環(huán)境的毒性仍然是未知的，此外，納米填料在防污涂料中的分散性也是需要突破的一重點(diǎn)難題?？傊?，新型海洋防污涂料正朝著(zhù)環(huán)保、高性能、工藝性良好的方向發(fā)展，基于納米填料的功能化技術(shù)，開(kāi)發(fā)納米復合環(huán)保型海洋防污涂料將會(huì )是今后防污涂料研究的重要研究方向之一。
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