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  隨著深海資源開發(fā)與裝備部署不斷深入，海洋工程正全面進(jìn)入全海深（Full-Ocean-Depth, FOD）作業(yè)時代。然而，全海深環(huán)境下極高的靜水壓、高鹽度以及復(fù)雜生物種類，使得裝備表面防護(hù)面臨前所未有的挑戰(zhàn)。目前，多層復(fù)合型防護(hù)體系往往存在界面剝離、功能衰減等問題，難以滿足極端環(huán)境下長期服役的需求。如何在單一涂層中實(shí)現(xiàn)防污與防腐的協(xié)同保護(hù)，已成為該領(lǐng)域的一項重要的科學(xué)難題。

  近日，中國科學(xué)院寧波材料所海洋關(guān)鍵材料全國重點(diǎn)實(shí)驗室薛群基院士、王立平研究員團(tuán)隊在國際知名期刊《ACS Nano》（IF=16）上發(fā)表了題為“Full-Ocean-Depth-Oriented Poly(oxime-urethane) Coating: Construction and Protective Mechanism for Integrated Antifouling and Anticorrosion”的研究論文。該工作首次構(gòu)筑了面向全海深極端環(huán)境的一體化聚肟氨酯（PUDF）防護(hù)涂層，系統(tǒng)揭示了其本征深防污與抗耦合腐蝕機(jī)制，為全海深裝備的長期安全服役提供了新型解決方案。中國科學(xué)院寧波材料所/寧波大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)碩士研究生張鵬和寧波材料所助理研究員田澍博士為論文的共同第一作者，寧波材料所盧光明高級工程師和王立平研究員為共同通訊作者。該研究得到了中國科學(xué)院基礎(chǔ)與交叉前沿科研（B類）/關(guān)鍵核心技術(shù)攻堅（C類）先導(dǎo)專項、浙江省博士后擇優(yōu)資助、高端裝備涂料全國重點(diǎn)實(shí)驗室開放基金等項目的資助。

  研究團(tuán)隊通過在聚氨酯結(jié)構(gòu)中引入呋喃肟酯鏈段（DFFD）賦予涂層本征防污能力，并通過共價交聯(lián)引入高極性官能化石墨烯片層（GO-COOH）實(shí)現(xiàn)界面增強(qiáng)與二維屏蔽作用。構(gòu)筑了兼具防污/防腐性能的全海深一體化聚肟氨酯防護(hù)涂層（圖1）。

圖1全海深耦合損傷環(huán)境挑戰(zhàn)及一體化防護(hù)涂層的設(shè)計思路

  GO-COOH與PUDF通過共價結(jié)合形成穩(wěn)定界面結(jié)構(gòu)，不僅有效改善了聚肟氨酯基體中二維片層的分散性，還增強(qiáng)了其微相分離程度，從而顯著提升了涂層的力學(xué)性能（拉伸強(qiáng)度12.3 MPa）。同時，引入高極性官能團(tuán)有效提升了涂層與金屬基底的界面作用力（附著力10.1 MPa）。實(shí)現(xiàn)了涂層優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與界面可靠性（圖2）。

圖2 涂層微觀結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)性能表征

  PUDF-GCx聚肟氨酯涂層兼具本征毒殺與動態(tài)抗粘附雙重防污性能，能高效殺滅定植在涂層表面的細(xì)菌、海藻等典型污損生物，并顯著抑制浮游污損生物的初始粘附。在東海淺海與菲律賓海域深海掛板實(shí)驗中，涂層表面長期保持完整潔凈狀態(tài)，有效阻止淺海大型污損生物及深海微生物等污損生物的附著，展現(xiàn)出優(yōu)異且穩(wěn)定的全海深防污效果（圖3）。

圖3 涂層全海深防污性能表征

  在3.5 wt% NaCl溶液中浸泡120小時后，PUDF-GC₁涂層的低頻阻抗相較沒有二維片層未改性PUDF涂層提升了約兩個數(shù)量級，并且高于目前文獻(xiàn)報道的聚氨酯防腐涂層。拉曼與XPS分析表明，該涂層有效抑制了腐蝕產(chǎn)物的生成，從而顯著延緩了金屬基體的腐蝕進(jìn)程并維持其結(jié)構(gòu)完整性。進(jìn)一步在15 MPa高壓+高鹽+細(xì)菌的不同耦合環(huán)境下浸泡72 h，PUDF-GC₁涂層依然保持較高的阻抗水平，展現(xiàn)出優(yōu)異的抗深海耦合腐蝕性能（圖4）。

圖4 涂層抗耦合腐蝕性能表征

  進(jìn)一步通過轉(zhuǎn)錄組學(xué)和密度泛函理論（DFT）計算，揭示了涂層的防污和防腐功能的的分子機(jī)制：一方面，DFFD單元通過干擾細(xì)菌嘌呤代謝、能量轉(zhuǎn)化及膜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，抑制核心生理功能并誘導(dǎo)應(yīng)激反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)高效本征抗菌防污；另一方面，GO-COOH的二維屏蔽結(jié)構(gòu)顯著提高了界面能壘，阻礙腐蝕離子和微生物代謝產(chǎn)物的滲透，從而實(shí)現(xiàn)了低吸附/高屏蔽的協(xié)同防腐（圖5）。

圖5 涂層的防污/防腐機(jī)制研究

  該研究提出的聚肟氨酯防污/防腐一體化涂層，不僅能在全海深極端環(huán)境下長期穩(wěn)定服役，還具備良好的可施工性和應(yīng)用潛力。為未來海洋深潛器、通信纜、長期駐留平臺等關(guān)鍵裝備提供了新思路。

  論文信息：

  Full-Ocean-Depth-Oriented Poly(oxime-urethane) Coating: Construction and Protective Mechanism for Integrated Antifouling and Anticorrosion

  Peng Zhang§, Shu Tian§, Ruiqi Li, Guangming Lu*, Qunji Xue, Liping Wang*, ACS Nano, 2025, DOI: 10.1021/acsnano.5c09595

  全文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.5c09595