海洋生物污损，也称为海洋生物附着，通常指海洋生物(如藻类、贝类、水螅、水草、甲壳类等)附着和生长在船舶、潜艇、海洋设施或者潮间带建筑物等人造结构物表面上的现象[1~3]。这种现象在海洋工程、航运业、水产养殖等领域中普遍存在并造成严重的影响。例如，船舶航行性能下降，加速生物腐蚀和外来物种入侵等[4~11]。目前为止，涂装防污涂料是解决上述污损问题最经济，有效的技术手段之一[12]。在过去的几十年，以三丁基锡自抛光共聚物(TBT-SPC)为代表的防污涂料因其防污效果显著、防污期长曾一度备受青睐。由于三丁基锡(TBT)对海洋生物的致畸性和对海洋环境的破坏性，自2008年《控制船舶有害防污漆系统国际公约》生效后，有机锡防污涂料被全面禁止，开发环境友好型防污涂料是发展海洋防污涂料的主流方向[13~15]。树脂作为防污涂料的基料和防污剂的载体，对防污涂料的性能、环保性和使用寿命起着决定性的作用，因此开发具有良好性能的树脂是发展高性能防污涂料的前提。
目前应用最广泛的无锡自抛光防污涂料之一是以丙烯酸金属盐聚合物为基料的涂料。丙烯酸金属盐聚合物通过水解反应或与海水的离子交换反应促进表面的持续更新和防污剂的释放[16,17]。然而，涂层表面自更新机制依赖于强大的水流以确保其效能，所以在低航速和静态海洋环境下并不具备较强的防污能力[18]。亲水型材料在海洋防污方面上具有潜力。当亲水型材料浸入海水中时，固液界面处形成紧密结合的水化层，可作为物理和能量屏障抵抗生物分子的吸附[19]。例如，聚乙二醇(PEG)基聚合物、含两性离子的聚合物及其衍生物可以通过氢键和静电吸引形成水合层而得到广泛研究[20~25]。然而，面对长期微弱的侵蚀和持续吸水，亲水型海洋防污涂层在长期服役期间存在力学性能差、稳定性不够等问题[26,27]。因此，获得兼具亲水性和力学性能强的涂层仍然具有挑战性。
基于以上考虑，本工作采用自由基聚合将NMA引入丙烯酸自抛光树脂体系，将亲水性交联网络与自抛光树脂相结合，在亲水性改善自抛光树脂防污性能的同时，又针对亲水性带来的不利影响进行相应的改进。将制备的具有自交联特性的丙烯酸自抛光树脂对其防污性能在中国青岛海域进行了150 d的实验。这项工作期望为开发长期有效性的海洋防污涂料提供技术支持。
1 实验方法
1.1 实验材料
实验用材料包括丙烯酸正丁酯(BA)，丙烯酸乙酯(EA)，丙烯酸(AA)，正丁醇，二甲苯和乙酸丁酯均为工业级(青岛大唐化工有限公司)。偶氮二异丁腈(AIBN)(天津市大茂化学试剂厂)和十二烷基硫醇(国药集团化学试剂有限公司)为分析纯。氧化锌(ZnO)(海顺新材料有限公司)，苯甲酸(上海易恩化学技术有限公司)和N-(羟甲基)丙烯酰胺(NMA)(淄博市临淄颐中森化工有限公司)为工业级。以及2216E液体培养基和2216E琼脂(青岛高科技工业园海博生物技术有限公司)。
1.2 含NMA丙烯酸锌树脂(RZn-NMA-X)的合成及聚合物涂层的制备
含NMA丙烯酸锌树脂的合成分为两步进行。以合成RZn-NMA-5的步骤作为示例。将19.33 g AA和6.78 g NMA混合得到A溶液。60.17 g BA和53.72 g EA、1.54 g AIBN混合得到B溶液。反应以250 r/min的搅拌速度开始，在80 ℃下将A溶液和B溶液每间隔15 min分10次加入到装有105.42 g二甲苯和105.42 g正丁醇及0.6 g十二硫醇的混合溶剂、搅拌器、回流冷凝管和温度计的500 mL四颈烧瓶内。加料完毕后在80 ℃下保温4 h。然后再次加入21.83 g氧化锌、32.73 g苯甲酸和4 g水，在85 ℃下反应4 h，降温出料即得到透明均一的聚合物溶液。图1分别为RZn-NMA-X聚合物的合成路线及合成工艺。表1总结了RZn-NMA-X聚合物的实验配方。预聚物配方理论固含量是40%，树脂理论固含量为50%。
图1
图1
RZn-NMA-X聚合物的合成路线和合成工艺
Fig.1
Synthetic route (a) and synthetic process (b) of RZn-NMA-X polymers
表1 RZn-NMA-X聚合物的实验配方
Table 1
| Sample | BA | EA | AA | NMA | ZnO | Benzoic acid |
|---|---|---|---|---|---|---|
| RZn-NMA-0 | 35% | 45% | 20% | 0% | 20% | 20% |
| RZn-NMA-5 | 35% | 40% | 20% | 5% | 20% | 20% |
| RZn-NMA-10 | 35% | 35% | 20% | 10% | 20% | 20% |
| RZn-NMA-15 | 35% | 30% | 20% | 15% | 20% | 20% |
| RZn-NMA-20 | 35% | 25% | 20% | 20% | 20% | 20% |
RZn-NMA-X聚合物涂层根据GB/T 1727-2021中刷涂的方式制备。首先将树脂样品用溶剂稀释到一定黏度。随后，使用羊毛刷将稀释后的样品涂覆在不同的基材上。将形成的聚合物薄膜在室温下阴凉干燥3 d，再置于45 ℃烘箱内固化3 d。
1.3 材料表征
树脂样品的FTIR通过EQUNINOX 55型Fourier变换红外光谱测定。通过DV-I prime旋转粘度计对树脂的黏度进行测量。采用LEXT OLS4000激光共聚焦显微镜(GLSM)捕获涂层表面形貌和粗糙度。使用DSA 100视频光学接触角测试仪测量去离子水在涂层表面的静态接触角，测试液滴为2 μL，接触角随机选取同一涂层表面至少5个不同位置测试得到的平均值。样品的吸光度是通过TU-1901紫外可见分光光度计获得的。
1.4 附着力测试
采用AGS-J万能拉力机，对RZn-NMA-X聚合物涂层进行附着力测试[34]。首先，使用80 μm涂布器将R-NMA-X聚合物均匀地涂抹在直径为20 mm的圆柱上，然后将其放入45 ℃的烘箱中。待树脂固化后，在另一个小圆柱上使用同样的方法涂抹环氧树脂粘合剂(环氧树脂E-44：聚酰胺混合试剂=1∶1)。接着，将两个涂有树脂的圆柱底部对接起来再次放入烘箱中进行固化处理。最后，将固化完成的小圆柱对放置在拉力机上进行附着力测试，实验重复3次,结果取平均值。
1.5 水解速率测试
采用静态浸泡的方式来评价RZn-NMA-X聚合物涂层的水解速率[35]。静态浸泡使用的基材为ABS板(质量Wpanel)，对样品涂层的制备参照如上所述。将固化后的涂层(质量W0)放入天然海水中浸泡60 d，以10 d为一个周期。每个周期结束时，用自来水将样板涂层表面的海水冲洗干净，然后置于45 ℃的烘箱内干燥3 d。每个周期对样品涂层的接触角，质量(Wt)和表面形貌进行测量，循环往复6个周期结束。每种涂层有3个平行样，树脂的溶解性能用失重率来表示，如下所示：
式中，Wpanel为ABS板的质量(g)，W0和Wt为浸泡前后涂有聚合物的ABS板的质量(g)。
1.6 抗菌性测定
以假交替单胞菌(Pseudoalteromonas sp.)为研究对象。取0.5 mL细菌悬浮液(OD600 = 0.25)滴加于样品涂层表面中部并覆盖一层聚乙烯薄膜。然后，将其放置在37 ℃的恒温培养箱中静止培养24 h，同时设置空白ABS面板滴加相同的菌液作为正常对照组。随后，以4.5 mL生理盐水对材料表面和PE膜进行反复冲洗和刮擦。收集冲洗后的菌液与材料表面的菌液混合后作为原液，梯度稀释到原冲洗液的10-3、10-4、10-5后用移液枪吸取100 μL稀释溶液接种在固体培养基上，于37 ℃的培养箱中培养18 h可活菌计数。每种涂层均用3个平行样测试以得到平均值。树脂涂层抗菌率的计算公式为：
式中，A指树脂涂层的抑菌率(%)，N0指空白对照组的活菌数，Ni 是样品涂层的活菌数。
1.7 抗藻性能评估
以Nitzschia closterium(N. closterium)为受试藻种。海水经过滤和灭菌后，按照每100 mL海水加入50 μL维生素、100 μL硝酸钠、100 μL磷酸钠、100 μL硅酸钠和50 μL微量元素的比例配制成F/2培养基。将不同样品分别浸泡在40 mL藻类悬浮液培养液(初始藻的细胞密度为5 × 105 cells/mL)中。然后置于光暗节律12∶12，光照强度为4800 lx，温度为(20 ± 1) ℃的智能人工气候箱中培养。每天取一定量的测试液在紫外分光光度计上测定其吸光度，连续观察7 d。根据显微镜直接计数法获得标准曲线，如图2所示，通过吸光度和标准曲线可计算藻类浓度，每种涂层有3个平行样。
图2
图2
N. closterium的波长扫描图和标准曲线
Fig.2
Wavelength scan (a) and standard curve (b) of N. closterium
1.8 实海防污测试
为了获得RZn-NMA-X聚合物样品在实际海洋环境中的防污性能，在海洋生物生长旺季时(2023年6月-2023年11月),将涂有样品的PVC面板浸泡在中国青岛港(36 °N, 121 °E)水下1 m深。每个月定期将面板从海中取出，用干净的海水轻轻冲洗并拍照记录面板上的生物污损情况。以没有任何涂层的PVC面板作为对照和参考。
2 结果与讨论
2.1 RZn-NMA-X聚合物的结构
表2 RZn-NMA-X树脂的基本指标
Table 2
| Sample | Prepolymer conversion rate | Resin conversion rate | Resin viscosity | Film-forming state |
|---|---|---|---|---|
| RZn-NMA-0 | 96.8% | 92.3% | 5240 cP | Non-cracking |
| RZn-NMA-5 | 93.5% | 90.2% | 6080 cP | Non-cracking |
| RZn-NMA-10 | 95.2% | 92.2% | 16160 cP | Non-cracking |
| RZn-NMA-15 | 94.6% | 91.5% | 23160 cP | Non-cracking |
| RZn-NMA-20 | 94.8% | 93.4% | Overrange | Cracking |
图3显示了以YJW-NMA-0 (不含NMA单体的预聚物样品)、RZn-NMA-0、RZn-NMA-20为例的丙烯酸预聚物和丙烯酸锌树脂的FTIR。如图所示，所有样品在2871~2964 cm-1观察到亚甲基的C-H不对称和对称伸缩振动峰，羧酸酯的C=O在1736 cm-1处伸缩振动吸收，及峰值位于1266和1166 cm-1处的C-O的伸缩振动峰，这表示丙烯酸酯类单体发生了聚合。与YJW-NMA-0和RZn-NMA-0相比，RZn-NMA-20在1665 cm-1处呈现出新的酰胺特征峰，所以可把3400 cm-1处的强吸收峰归因于N-H的伸缩振动峰，这表明成功将NMA引入了聚合物体系。此外，在RZn-NMA-0、RZn-NMA-20的红外光谱中1601 cm-1处出现了新的吸收峰，这是由COO-Zn-COO羰基振动引起的[37]，COO-与Zn2+的结合，所以相比聚丙烯酸羧基中的C=O伸缩振动吸收红移。FTIR表明，RZn-NMA-X丙烯酸锌树脂已成功合成。
图3
2.2 附着力测试
图4
2.3 水解速率测试
图5
图5
RZn-NMA-X聚合物涂层的质量损失随浸泡时间的变化和在海水中浸泡50 d前后的接触角变化
Fig.5
Mass losses of RZn-NMA-X polymer coatings during immersion in seawater for 60 d (a), and changes of contact angle for the coatings before and after 50 d soaking (b)
2.4 RZn-NMA-X树脂的表面形貌
水解进程中涂层表面性质的改变也会影响涂层的防污性能[43]。图6a和b分别显示了涂层在静态浸泡实验下的宏观和微观表面形貌的变化图，可以看出RZn-NMA-0、RZn-NMA-5和RZn-NMA-10经过50 d的实验后，表面依旧保持平整光滑，未出现开裂、脱落、起泡等的情况，表明其具有较好的表面特性。而RZn-NMA-15在第一个周期结束时，涂层边缘处开始出现细小的裂纹，随着周期的进行，该含量下的开裂现象越来越明显，推测是随着NMA含量的增多，树脂的韧性降低，出现开裂。经过50 d的实验，所有涂层表面粗糙度虽有所增加但都相对稳定，结果如图6c所示，这表明RZn-NMA-X涂层具有长期维持稳定水解速率的潜力。
图6
图6
RZn-NMA-X聚合物涂层浸泡不同时间后的表面数码图像，激光共聚焦形貌图，激光共聚焦三维形貌及粗糙度变化
Fig.6
Digital images (a), laser confocal topographies (b), and laser confocal 3D topographies and corresponding surface roughnesses (c) of RZn-NMA-X polymer with the coatings after soaking for different time
2.5 抗菌性能评估
以无涂层的ABS板作为对照，涂层的抗菌性能通过琼脂平板上的菌落个数来反映。结果如图7a所示，与对照样品相比，RZn-NMA-0涂层的抑菌率为92.1%，经过NMA改性，海洋细菌的菌落明显减少。RZn-NMA-5、RZn-NMA-10、RZn-NMA-15对假交替单胞菌的抑菌率分别是98.7%、97.4%、96.4%，可以看出抑菌率是随着NMA用量的增加呈逐渐减少的趋势。RZn-NMA-X涂层的抗菌性可归因于两方面，一方面，树脂在水解时会释放Zn2+，由于Zn2+可以穿透细菌的细胞壁，导致细胞内的酶和其他蛋白机制异常[44,45]。因此可以有效地抑制细菌的生长和繁殖，这就解释了不添加NMA的涂层对假交替单胞菌也表现出较高的抑菌率。另外一方面，NMA的酰胺基团因高的电荷密度和分子极性，能有效的破坏细菌的细胞膜[46]。通过稀释平板计数实验，证实了NMA单体的引入有助于增加涂层的抗菌性能。
图7
图7
RZn-NMA-X聚合物涂层对假交替单胞菌的抗菌作用和抗菌率
Fig.7
Antibacterial effects (a) and percent inhibitions (b) of RZn-NMA-X polymer coatings against Pseudoalteromonas sp.
2.6 抗藻性能评估
图8
图8
RZn-NMA-X对N. closterium的生长抑制曲线
Fig.8
Growth inhibition curves of RZn-NMA-X on N. closterium
2.7 实海防污测试
通过实海防污测试检验RZn-NMA-X的防污性能。图9显示了测试面板在中国青岛胶州湾海域浸泡150 d的污损附着情况。参照GB/T 5370-2007《防污漆样板浅海浸泡试验方法》对其计算防污评分，结果如表3所示。在30 d时，无涂层的表面完全被藻类以及某些软体动物污损群落所覆盖，表明该海域生物污损比较严重，相比之下，含有NMA的涂层仅表现出微生物粘膜的形成和少量软体类生物的附着。在150 d时，涂层表面已经出现了许多藤壶附着的现象，整体来看，NMA含量与涂层防污效果呈负相关关系，RZn-NMA-5表现最佳。推测这个现象的出现可能与NMA自交联有关。NMA的引入在一定程度上会增加侧链水解，增加涂层的防污性能，而随着NMA用量的增加，体系交联度也会增加，导致水解程度减慢，从而使得涂层表面自更新速度变慢，防污性变差。因此，NMA的引入可提升涂层的防污效果，5%NMA表现出最佳的抗污损能力。
图9
图9
RZn-NMA-X聚合物涂层在胶州湾海域浸泡30~150 d后的污损生物附着情况
Fig.9
Attachments of fouling organisms on the control (a1-d1), RZn-NMA-0 (a2-d2)， RZn-NMA-5 (a3-d3), RZn-NMA-10(a4-d4) and RZn-NMA-15 (a5-d5) polymer coatings after soaking for 30 d (a), 60 d (b), 90 d (c) and 150 d (d) in the seawater of Jiaozhou Bay
表3 测试面板浸泡150 d的防污打分结果
Table 3
| Sample | Number of barnacles | Score |
|---|---|---|
| RZn-NMA-0 | 11 | 84 |
| RZn-NMA-5 | 2 | 93 |
| RZn-NMA-10 | 5 | 90 |
| RZn-NMA-15 | 10 | 85 |
2.8 防污机理
RZn-NMA-X聚合物涂层的防污机理如图10所示。纯丙烯酸树脂的防污作用可归因于两方面。首先，聚合物侧链水解形成水合羧酸根离子—COO-Na+，使得聚合物主链发生溶胀，增加涂层的亲水性，随后树脂主链逐渐剥离，并重新暴露光滑的涂层表面，实现表面自更新的防污功能。其次，在聚合物侧链水解的过程中，与海水发生离子交换产生的Zn2+干扰了污损生物细胞的Ca2+平衡，抑制生物的生长。引入NMA后，极性基团酰胺基和羟基的存在增加了涂层的亲水性，亲水性增加了丙烯酸涂层的水解速率。同时，NMA中的酰胺基团具有良好的抑菌作用。然而，特别注意的是，一味地增加NMA用量并不意味着涂层的防污效果会更好。可能是因为在RZn-NMA-X聚合物中，聚合物侧链之间的羟甲基在固化的过程中会发生自交联，交联网络的形成会限制水的渗透，从而影响丙烯酸树脂的水解。因此，在设计涂层时，需要在亲水性和交联密度之间找一个平衡点，以实现亲水性交联网络和自抛光性能的最佳组合效果。
图10
图10
RZn-NMA-X聚合物涂层的防污机理
Fig.10
Antifouling mechanism of RZn-NMA-X polymer coating
3 结论
采用自由基聚合和脱水缩合两步反应制备了一系列具有自交联特性和防污性能的RZn-NMA-X树脂。NMA的引入有利于提升涂层的附着力，适量NMA会赋予涂层较好的表面特性。水解降解实验结果表明，RZn-NMA-X自更新涂层具有稳定的水解速率。抗菌抗藻实验结果表明，RZn-NMA-X涂层能有效的抑制海洋细菌(Pseudoalteromonas sp.)和硅藻(N. closterium)的生长。150 d的实海防污测试证实，NMA的引入提升了涂层的防污效果，RZn-NMA-5防污效果最佳。
参考文献
Bioinspired marine antifouling coatings: Status, prospects, and future
[J].
Biofouling inhibition with grafted econea biocide: Toward a nonreleasing eco-friendly multiresistant antifouling coating
[J].
Antifouling technology-past, present and future steps towards efficient and environmentally friendly antifouling coatings
[J].
Recent developments and practical feasibility of polymer-based antifouling coatings
[J].
Economic impact of biofouling on a naval surface ship
[J].
Antifouling strategies: History and regulation, ecological impacts and mitigation
[J].
Fouling release coatings: A nontoxic alternative to biocidal antifouling coatings
[J].
Non-toxic, non-biocide-release antifouling coatings based on molecular structure design for marine applications
[J].
Research progress of metal corrosion caused by extracellular polymeric substances of microorganisms
[J].
微生物胞外聚合物引起的金属腐蚀的研究进展
[J].
Effect of barnacle adhesion on corrosion behavior of Q235 steel
[J].
基于阵列电极技术研究藤壶附着对Q235钢腐蚀行为的影响
[J].
Ecological study on fouling organisms in a marine environmental test station situated at Sanya bay
[J].
三亚海洋环境试验站污损生物生态研究
[J].
Marine paints: The particular case of antifouling paints
[J].
Antifouling processes and toxicity effects of antifouling paints on marine environment. A review
[J].
Trends in the development of environmentally friendly fouling-resistant marine coatings
[J].
Antifouling coatings: Recent developments in the design of surfaces that prevent fouling by proteins, bacteria, and marine organisms
[J].
Dynamic multi-level microstructured antifouling surfaces by combining quaternary ammonium modified go with self-polishing copolymers
[J].
Synthesis of zinc-based acrylate copolymers and their marine antifouling application
[J].
Marine biofouling resistance of polyurethane with biodegradation and hydrolyzation
[J].
Superamphiphilic TiO2 composite surface for protein antifouling
[J].
Hydrophilic polymer-based anti-biofouling coatings: Preparation, mechanism, and durability
[J].
Probing the surface hydration of nonfouling zwitterionic and peg materials in contact with proteins
[J].
Probing the weak interaction of proteins with neutral and zwitterionic antifouling polymers
[J].
Amphiphilic dicyclopentenyl/carboxybetaine-containing copolymers for marine fouling-release applications
[J].
Grafting robust thick zwitterionic polymer brushes via subsurface-initiated ring-opening metathesis polymerization for antimicrobial and anti-biofouling
[J].
Surface charge control for zwitterionic polymer brushes: Tailoring surface properties to antifouling applications
[J].
Nonfreezable water and polymer swelling control the marine antifouling performance of polymers with limited hydrophilic content
[J].
Biodegradable poly(ester)-poly(methyl methacrylate) copolymer for marine anti-biofouling
[J].
Advances in self-crosslinking of acrylic emulsion: What we know and what we would like to know
[J].
Preparation of self-crosslinked acrylate emulsion with high elasticity and its rheological properties
[J].
High performance polymer binders inspired by chemical finishing of textiles for silicon anodes in lithium ion batteries
[J].
In situ polymerization of N-methylol acrylamide (NMA) for bamboo anti-mold modification
[J].
Preparation and characterization of novel self cross-linking fluorinated acrylic latex
[J].
Preparation, characterization and properties of starch-based adhesive for wood-based panels
[J].
Epoxy composite coating with excellent anticorrosion and self-healing properties based on acrylate copolymers
[J].
Antifouling property of Cu2O-free self-polishing antifouling coatings based on amide derivatives inspired by capsaicin
[J].
Effects of ultraviolet solar radiation on the properties of particulate-filled epoxy based polymer coating
[J].
Study on the preparation and properties of new environmentally friendly antifouling acrylic metal salt resins containing indole derivative group
[J].
Fouling release property of polydimethylsiloxane-based polyurea with improved adhesion to substrate
[J].
Preparation and properties of fouling resistant silicone-based marine antifouling coatings
[D].
污损阻抗型有机硅基海洋防污涂层的制备与性能研究
[D].
Fouling resistant silicone coating with self-healing induced by metal coordination
[J].
Special issue on advanced corrosion-resistance materials and emerging applications. The progress on antifouling organic coating: From biocide to biomimetic surface
[J].
18-Tin-free self-polishing marine antifouling coatings
[A]. HellioC, YebraD. Advances in Marine Antifouling Coatings and Technologies [M].
Self-polishing emulsion platforms: Eco-friendly surface engineering of coatings toward water borne marine antifouling
[J].
Application of antimicrobial active packaging film made of semolina flour, nano zinc oxide and nano-kaolin to maintain the quality of low-moisture mozzarella cheese during low-temperature storage
[J].
Biofilm formation to inhibition: Role of zinc oxide-based nanoparticles
[J].
Synthesis of amide derivatives containing capsaicin and their antioxidant and antibacterial activities
[J].
Preparation and evaluation of natural rosin-based zinc resins for marine antifouling
[J].
Calcium: A central regulator of plant growth and development
[J].
