三唑環含氟芳香烴改性納米ZnO 的制備及其在防污涂層中的應用

楊 宇,雷龍林,曹黎穎,王 林,汪國慶

(1.海南大學材料科學與工程學院,南海海洋資源利用國家重點實驗室,海口 570228;2.湛江寶鋼新型建材科技有限公司,湛江 524000)

0 引 言

海洋生物污損被認為是微生物、藻類和動物在海水浸沒結構體上的不利積累。海洋污損生物可分為微型污損生物(細菌和雙原子生物膜)和大型無損生物(如大海藻、藤壺、貽貝、管蟲、苔蘚蟲)兩大類,這些生物聚集生長形成污損區[1-2],從而降低了航海效率,增加了航海成本和CO2排放量,加劇了溫室效應[3-5]。防污涂層是最有效的防止海洋污損生物附著和長期防護措施。早期的防污涂層主要使用一些有毒的殺生性材料來殺死污損生物,從而達到抵御其附著的目的。這種毒害性防污涂層因污染海洋環境,給海洋生物安全和人類的健康帶來風險而逐漸被淘汰[6]。

有機/無機復合涂層因其對海洋環境的影響較小而在海洋防污中受到廣泛關注。利用改性納米填料來增強涂層的力學性能和防污特性是許多環境友好型涂層研發的主要手段。表面化學改性提高了納米顆粒在涂層中的分散性能,減小了納米顆粒間的內應力。LEE等[7]通過在納米SiO2表面接枝硅氧烷兩性離子來減少非特異性生物分子的附著。RYU 等[8]通過縮水聚合方法將擬肽類聚合物接枝在納米TiO2表面;擬肽類聚合物本身具備的分解蛋白質的特性,可以有效地分解附著在涂層表面的蛋白質和黏液。LI等[9]將十六烷基三甲氧基硅烷接枝在納米ZnO 表面并添加到環氧樹脂中形成超疏水表面,以此來增強防污效果。

與其他納米無機填料相比,納米ZnO 具有優異的抗氧化、耐腐蝕和耐老化等性能[10-11],在光照條件下能與空氣中的水和氧結合生成強氧化性的離子自由基,破壞細菌的繁殖和再生能力[12-15]。然而,納米ZnO在涂層中的分散性差,顆粒與顆粒之間的內應力大過樹脂的內聚力,從而影響到所制備涂層的抗菌性能。三唑類化合物具有高活性、低毒性等特點,在生物制藥領域得到廣泛應用[16-19],該化合物主要作用于細菌的胞壁質,通過抑制羊毛甾醇C-14去甲基酶來抑制麥角甾醇的生物合成,從而達到殺菌的效果。目前尚未見三唑類化合物在海洋防污方面的應用研究報道。為了改善納米ZnO 的分散性和抗菌性能,作者以納米ZnO表面的缺陷為活性位點,采用三唑環基含氟芳香烴來改性納米ZnO(ZnO-sTRF),利用氟元素的強電負性、類氫模擬效應[20-21]以及三唑環基的殺菌機制,獲得一種輕質型納米抗菌填料,研究了反應溫度和催化劑對ZnOs TRF化學結構和元素組成的影響;將表面接枝量最高的ZnO-sTRF與聚氨酯樹脂(PU)復合,研究了所制備ZnO-sTRF/PU 涂層的疏水性能、抗菌性能以及防污性能,并與純PU 涂層、ZnO/PU 涂層、3-氨丙基三乙氧基硅烷改性ZnO(ZnO-s)/PU 涂層進行對比,以期為海洋防護用新型防污涂層的研制與開發提供試驗指導。

1 試樣制備與試驗方法

試驗原料包括納米ZnO(平均粒徑30 nm,分析純)、三乙胺(TEA,分析純)、4-(三氟甲基)芐溴(TBB,分析純)、疊氮三甲基硅烷(TMSA,分析純)、3-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550,分析純)、3-溴丙炔(PBE,分析純)、溴化亞銅(CuBr,分析純)、五甲基二乙烯三胺(PMDETA,分析純),均由上海麥克林生化科技有限公司提供;五水合硫酸銅(CuSO4·5H2O,分析純),由廣東光華科技股份有限公司提供;L-抗壞血酸鈉(NaAce,分析純),由成都西亞化工股份有限公司提供;無水乙醇(分析純)、四氫呋喃(THF,分析純),由西隴科學股份有限公司提供;脂肪族聚氨酯樹脂(PU,T608)、高強度環氧底漆(H541),由上海暄洋化工材料有限公司提供;活死細胞熒光染色劑LIVE/DEAD BacLightTMBacterial Viability Kits L7012,由賽默飛世爾科技(中國)有限公司提供;大腸桿菌(escherichia coli)、金黃色葡萄球菌(staphylococcus aureus)、假交替單胞菌(Pseudoalteromonas),由海南大學國家重點實驗室提供。

通過KH550硅烷偶聯劑對納米ZnO表面進行預處理。在室溫下將6 g ZnO粉體加入由體積比為3∶7的乙醇和去離子水組成的混合溶液中,然后置于容量為250 mL的燒瓶中以600 r·min-1的速度攪拌20 min。同時,將配制的質量分數0.8%的KH550溶液滴加入燒瓶中,反應4.5 h。反應完成后,使用容量為20 mL的離心管以8 000 r·min-1的轉速離心10 min,所得離心產物用乙醇清洗過濾3次,然后放入40℃的真空干燥箱中干燥5 h,從而得到KH550改性納米ZnO(ZnO-s)。在冰水浴條件下,取3 g ZnO-s分散于由體積比為7∶3的THF和去離子水組成的混溶劑中,取1.2 g PBE滴加入該懸濁液中,然后稱取一定量的催化劑溶于懸濁液中,磁力攪拌20 min。加入2.7 g TMSA,升溫至適當溫度,反應5 h后,加入1.5 g TBB和1.1 mol TEA,反應2.5 h后冷卻降溫,淬滅反應。將產物離心過濾,用THF洗滌3次,放入40℃的真空干燥箱內干燥5 h,得到產物1,2,3-三唑環基含氟芳香烴改性納米ZnO(ZnO-sTRF)。具體的催化劑和反應溫度如表1所示。

表1 制備ZnO-sTRF的反應溫度及催化劑Table 1 Reaction temperature and catalyst for preparation of ZnO-sTRF

將質量均為4 g的ZnO、ZnO-s、ZnO-sTRF分別加入到40 g的PU 中,使用HM200D 型混合消泡機在室溫下高速混合3 min,得到ZnO/PU、ZnOs/PU 和ZnO-sTRF/PU 涂料,將涂料涂敷在已經涂完環氧底漆的不銹鋼板上制備相應的涂層。空白對照組為PU 涂層。

采用Axis Supra型X 射線光電子能譜(XPS)儀對ZnO、ZnO-s、ZnO-sTRF試樣的表面化學結構和元素組成進行表征。將制備的試樣與溴化鉀以質量比1∶10的比例混合研磨并壓成圓片狀,采用DF-101Z型傅立葉變換紅外光譜儀(FT-IR)對表面化學結構進行表征,分辨率為1.0 cm-1,信噪比為30 000∶1。通過SDC-100H 型水接觸角測試儀對涂層表面的疏水性進行評估,每個涂層表面測5～10個點取平均值。將大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和假交替單胞菌置于37℃的模擬海水運動的恒溫細菌培養搖床中以200 r·s-1的轉速培養12 h,達到108CFU·mL-1的菌落濃度;所有用于測試的工具都在121℃的滅菌鍋中放置1.5 h,然后將滅菌后的測試工具和涂層均放置于紫外燈下過夜。將不同涂料施涂在面積為1 cm2的玻璃片上,放入大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和假交替單胞菌含量均為106CFU·L-1的培養基內,再置于模擬動態海洋環境的恒溫搖床中進行48 h的培養;培養結束后使用熒光染色劑進行染色,在DM5000B型正置熒光顯微鏡下觀察涂層抗菌情況,并使用ImageJ軟件定量分析菌數。按照GB/T 5370-2007在海南省海口市秀英區司南碼頭進行了實際海水掛片浸沒試驗,試驗時間為120 d。試驗結束后檢查涂層的污損情況,拍攝照片并記錄污損生物品種。

2 試驗結果與討論

2.1 ZnO-sTRF的化學結構和元素組成

由圖1 可以看出,ZnO-sTRF1、ZnO-sTRF2、ZnO-sTRF3試樣均在1 554,1 460,1 224,1 052,792 cm-1處存在三唑環基的特征峰[22],表明所有改性納米ZnO表面都生成了三唑環。ZnO-sTRF1試樣在2 077 cm-1處出現了炔基的特征峰,這可能是由于在無催化劑條件下疊氮炔環反應不完全,合成反應的轉化效率不高導致的。在SHARPLESS和FOKIN 率先提出Cu+催化疊氮炔環反應[23-25]前,無催化劑條件下制備三唑環時的反應溫度高,疊氮基團活性太強,容易引發安全事故。CuBr/PMDETA 催化體系下制得的ZnOsTRF2試樣表面也存在炔基的紅外振動峰,可能是因為在試驗條件下,催化劑中的Cu+遇空氣易氧化成Cu2+,難以全部發揮其催化作用,導致反應不完全。當催化劑是CuSO4·5H2O/NaAce時,NaAce的氧化還原作用使Cu2+還原成Cu+參與銅炔絡合物的合成,完成點擊化學反應,該體系在常溫常壓下也能正常進行反應;此時試樣表面炔基的紅外振動特征峰消失,說明該條件下疊氮炔環反應完全,ZnO-sTRF表面疊氮炔環轉化率高。在CuSO4·5H2O/NaAce催化體系下,ZnO-sTRF4(反應溫度65℃)、ZnO-sTRF5(反應溫度55℃)試樣在2 077 cm-1處存在振動伸縮峰,表明試樣中有炔基殘留,其疊氮炔環反應不完全。這是因為溫度的升高會提高化合物分子反應的活性以及銅炔離子絡合物形成的效率,從而促進疊氮炔環的完全反應。

圖1 不同ZnO-sTRF試樣的紅外光譜Fig.1 Infrared spectra of different ZnO-sTRF samples

由表2可知,ZnO-s TRF3試樣表面碳元素、氮元素和氟元素的含量最高,再次證明了在反應溫度為75℃,催化劑為CuSO4·5H2O/NaAce條件下,疊氮炔環反應轉化效率最高,改性納米ZnO 表面接枝量最高。

表2 不同ZnO-sTRF試樣的表面元素定量分析結果Table 2 Quantitative analysis results of surface elements of different ZnO-sTRF samples

由圖2可以看出,ZnO 試樣不存在氮元素的信號峰,ZnO-s試樣出現-NH2(399.5 eV)的信號峰。這是因為KH550硅烷偶聯劑通過甲氧基水解與納米ZnO 表面的-OH 脫水鍵合,使伯胺基覆蓋于ZnO表面。PBE加入反應后,與ZnO-s表面伯胺基發生鹵代反應生成C-NH-C(399.1 eV),端炔基同游離在溶劑中的疊氮基團鍵合生成三唑環結構,ZnO-sTRF3試樣中出現的-N=(398.3 eV)和CN(397.9 eV)信號峰證明了三唑環結構的存在。通過氟元素的分峰擬合圖對比可知,ZnO-sTRF3試樣在686.5 eV處出現-CF3信號峰,證明納米ZnO表面接枝上了含氟芳香烴。

圖2 ZnO、ZnO-s和ZnO-sTRF3試樣中氮元素和氟元素的XPS分峰擬合圖Fig.2 XPS fitting peak diagrams of N(a-c)and F(d-f)elements in ZnO (a,d),ZnO-s( b,e),and ZnO-sTRF3(c,f)samples

2.2 涂層的疏水性能

由上述試驗結果可知,在75℃下采用CuSO4·5H2O/NaAce催化劑制備的ZnO-sTRF3表面接枝率最高,因此后面對采用ZnO-sTRF3制備涂層的性能進行研究。由圖3可知,純PU 涂層、ZnO/PU涂層和ZnO-s/PU涂層表面水接觸角都小于90°,而ZnO-sTRF3/PU涂層表面水接觸角達到了105.4°,遠大于其余涂層,可見添加了ZnO-s TRF3的PU 涂層疏水性能最優。ZnO-sTRF3試樣表面氟元素質量分數大于4%,其強電負性可以促進疏水表面的形成,降低涂層表面能。

圖3 不同涂層的靜態水接觸角Fig.3 Static water contact angles of different coatings

2.3 涂層的抗菌性能

由圖4可見,純PU 涂層表面3種細菌的死菌數量最少,活菌數量最多,ZnO/PU 涂層和ZnO-s/PU 涂層表面死菌數量高于純PU 涂層表面,而ZnO-sTRF3/PU 涂層表面的死菌數量最多,活菌數量最少。由圖5可以看出,ZnO-sTRF3/PU 涂層表面活菌面積覆蓋率均少于1%,死菌面積覆蓋率均高于10%,證明加入ZnO-sTRF后PU 涂層的抑菌效果優異。純PU 涂層表面死菌面積覆蓋率最小,均小于1%,當加入純納米ZnO后,死菌面積覆蓋率稍有增加,說明涂層的抗菌能力略有提高,但納米ZnO高表面能引起的團聚效應使其抗菌效果提升不明顯。摻雜ZnO-s的涂層表面死菌面積覆蓋率高于ZnO/PU 涂層,涂層的抗菌性能進一步提高,這得益于KH550硅烷偶聯劑對納米ZnO表面的修飾提高了納米ZnO在涂層中的分散性,加大了納米ZnO與細菌的接觸面積。ZnO-s TRF3/PU 涂層的死菌面積覆蓋率是其他涂層的10倍以上,可見添加了三唑環基含氟芳香烴改性后的納米ZnO 填料后,涂層的抗菌性能得到大幅提高。ZnO 表面接枝三唑環和含氟芳香烴后,可利用三唑環作用于微生物細胞膜的抗菌機制和良好的生物相容性[26-30],同氟元素的強電負性和類氫模擬效應[31-32]相結合實現協同防污機制:一方面,三唑環對生物質膜的破壞可以徹底防止細菌的肆意繁殖;另一方面,通過氟原子的類氫模擬性能,讓氟原子充當“鉤子”的角色,穿透污損生物的生物質膜,同時氟元素的強電負性在其通過模擬效應進入生物質膜時,對海洋污損生物的遺傳物質產生消極影響,使海洋污損生物的遺傳往異常的方向發展或者阻止其繁衍。這樣的一種內外雙重防御機制使得ZnO-sTRF的抗菌性能相較于純ZnO和ZnO-s大幅提高,表面死菌面積覆蓋率顯著增大。

圖4 不同涂層表面不同細菌的熒光染色微觀形貌Fig.4 Fluorescence staining micromorphology of different bacteria on different coating surfaces:(a)pure PU coating;(b)ZnO/PU coating;(c)ZnO-s/PU coating and(d)ZnO-sTRF3/PU coating

圖5 統計得到不同涂層表面不同細菌的活菌和死菌面積覆蓋率Fig.5 Statistic live and dead bacterial area coverage rate of different bacterium on different coating surfaces

2.4 涂層的防污性能

由圖6可以看出:在實際海洋環境中浸沒120 d后,純PU 涂層表面有明顯的藤壺、貽貝等海洋硬體生物附著,這表明該港口海洋環境存在著嚴重的生物污染;ZnO/PU 涂層和ZnO-s/PU 涂層表面也有明顯的硬體生物附著跡象;ZnO-sTRF3/PU 涂層表面除了含有少量的泥沙和有機膜外,未發現其他硬體生物的附著痕跡。藤壺在基底上的附著主要依賴藤壺膠的作用,藤壺底部的外圍分布有黏膠導管,黏膠導管不斷地分泌藤壺膠,形成幾微米的膠層將鈣質底盤和附著基表面連接起來,且這些導管網絡會隨著藤壺的生長變得更加復雜,從而加固藤壺的附著[33-34]。摻雜ZnO-sTRF3的涂層具有低能表面,在海水剪切力的作用下具有表面自清潔的效果,從而防止藤壺膠的附著。貽貝通過足絲上的黏附蛋白實現強力附著,黏附蛋白中存在3,4-二羥基苯丙氨酸;這種物質有很強的配位能力,能與金屬形成可逆的有機金屬絡合物[35]。而ZnO-sTRF3/PU涂層的表面能很低,其表面很難與其他物質產生鍵合,因此貽貝附著在該涂層表面的機會減少。雖然一些大型污損生物(藤壺、貽貝和苔蘚蟲等)的幼蟲比較喜歡附著在疏水表面(如巖石)以增強自身的穩定性,但是在海浪沖刷的作用下,幼蟲會馬上脫落。同時,三唑環極易破壞附著微生物的生物質膜結構,從而阻礙軟物質的培養和生長。海藻、貝殼等硬物質需要在軟物質形成良好的前提下生長,ZnO-sTRF3表面三唑環和氟元素的協同防污作用破壞了軟物質的生長,間接阻止了海藻、貝殼等對涂層表面的污染。

圖6 在實際海洋環境中浸沒120 d后不同涂層的表面形貌Fig.6 Surface morphology of different coatings after immersion in actual marine environment for 120 d:(a)pure PU coating;(b)ZnO/PU coating;(c)ZnO-s/PU coating and(d)ZnO-sTRF3/PU coating

綜上可知,ZnO-sTRF3/PU 涂層良好的防污效果得益于ZnO-sTRF3表面三唑環和含氟芳香烴的協同防污機制。ZnO-sTRF3/PU 涂層較低的表面能使得海洋中的一些微生物蛋白在海水的剪切作用力下于涂層表面失去附著點,破壞生物污損附著的第一階段(有機膜的形成);三唑環的存在破壞了微生物的生物質膜結構,與氟元素的強電負性和類氫模擬效應相協同,阻止了微生物的繼續繁衍和生長。ZnO-sTRF3/PU 涂層在實際海洋環境中可以維持120 d以上的防污效果,具有良好的長期應用性。

3 結 論

(1) 當催化劑為CuSO4·5H2O/NaAce,反應溫度為75℃時,ZnO-sTRF表面疊氮炔環反應完全,改性納米ZnO表面接枝量最高,氟元素質量分數大于4%。接枝量最高的ZnO-sTRF/PU 涂層表面水接觸角達到105.4°,而純PU 涂層、ZnO/PU 涂層和ZnO-s/PU 涂層的水接觸角都小于90°,ZnOsTRF/PU 涂層表現出優異的疏水特性。

(2)ZnO-sTRF/PU涂層表面的大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和假交替單胞菌死菌面積覆蓋率是其他涂層的10倍以上,這與三唑環的特殊抗菌機制以及氟元素的強電負性和類氫模擬效應相結合作用有關。

(3) 在實際海洋環境中浸沒120 d后,純PU 涂層、ZnO/PU 涂層和ZnO-s/PU 涂層表面有明顯的藤壺、貽貝等海洋硬體生物附著,而ZnO-sTRF/PU涂層表面無明顯硬質生物的附著,防污效果優異,這與ZnO-sTRF3表面三唑環和含氟芳香烴的協同防污機制有關。