隨著陸地資源的日趨減少，海洋資源的開發(fā)與利用已成為許多海洋國(guó)家的重要發(fā)展戰(zhàn)略。然而，在海洋開發(fā)進(jìn)程中，遠(yuǎn)洋船舶、海上平臺(tái)、核電站、海洋牧場(chǎng)等不可避免地會(huì)遇到海洋生物污損問題，它是指海洋微生物、動(dòng)植物在海洋裝備與設(shè)施表面粘附、生長(zhǎng)所形成的生物垢，其會(huì)降低船舶航行速度，加速海洋裝備腐蝕，堵塞海水冷卻管路，影響海洋養(yǎng)殖產(chǎn)量等，從而對(duì)海洋工業(yè)造成深刻影響。由于海洋環(huán)境復(fù)雜嚴(yán)苛、污損生物種類多樣、環(huán)保法規(guī)日益嚴(yán)格，海洋防污一直是國(guó)際性難題，特別是靜態(tài)、長(zhǎng)效、生態(tài)友好防污，極具挑戰(zhàn)性。長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外開發(fā)了多種防污策略來(lái)應(yīng)對(duì)海洋污損挑戰(zhàn)，包括防污涂層法，機(jī)械清洗法、電解海水或超聲波處理法等 。其中，使用防污涂層是目前最經(jīng)濟(jì)、有效、簡(jiǎn)便的方法。傳統(tǒng)型防污涂層是利用材料中釋放的防污劑如銅類化合物等來(lái)殺滅污損生物，盡管有效，但它們會(huì)帶來(lái)環(huán)境和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。 因此，研究 開發(fā)環(huán)境友好海洋防污體系十分重要。

華南理工大學(xué)海洋工程材料團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事海洋先進(jìn)防護(hù)高分子材料研究。借助于高分子材料創(chuàng)新設(shè)計(jì)，先后研制了針對(duì)船體、螺旋槳以及內(nèi)海水系統(tǒng)的系列防污材料，相關(guān)技術(shù)已在各類船舶、海洋能源裝備等規(guī)?；瘧?yīng)用 (Adv. Mater. 2025, 37, 2413035; Adv. Funct. Mater. 2025, e25696; Adv. Funct. Mater. 2025, 35, 2508400; Prog. Polym. Sci. 2024, 154, 101840; Acc. Chem. Res. 2022, 55, 1586)。 最近，該團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)總結(jié)了海洋防污高分子材料及其界面設(shè)計(jì)的最新進(jìn)展，包括 化學(xué)動(dòng)態(tài)表面防污材料、物理動(dòng)態(tài)表面防污材料、污損脫附型防污材料、污損阻抗型防污材料和其它新興防污材料等。

圖1. 環(huán)境友好海洋防污體系及策略

“動(dòng)態(tài)表面防污”策略是指不斷發(fā)生化學(xué)或物理變化的表面可有效抑制污損生物的附著，表面變化越快，污損生物越少。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)首先利用自行搭建的數(shù)字全息顯微鏡，研究了可降解高分子涂層與海水界面附近海洋細(xì)菌的三維運(yùn)動(dòng)行為，證明了涂層表面降解（變化）速度越高，細(xì)菌越趨向于遠(yuǎn)離表面運(yùn)動(dòng)，在涂層表面粘附越少。該策略明確了動(dòng)態(tài)表面對(duì)防污材料的重要性及必要性，為高性能防污材料的設(shè)計(jì)指明了方向，開辟了海洋防污的新路徑。由此，衍生出化學(xué)動(dòng)態(tài)表面防污材料和物理動(dòng)態(tài)表面防污材料。 化學(xué)動(dòng)態(tài)表面防污材料主要基于高分子可控降解反應(yīng)實(shí)現(xiàn)，包括主鏈降解型、主鏈降解—側(cè)鏈水解型(雙解)以及最新一代的超支化雙解型高分子基防污材料。它們?cè)诤Ｑ蟓h(huán)境中能形成可控的自更新“動(dòng)態(tài)表面”，通過對(duì)降解速率、釋放速率等因素的調(diào)控，可實(shí)現(xiàn)靜態(tài)、長(zhǎng)效、生態(tài)友好防污。 物理動(dòng)態(tài)表面防污材料主要基于外部刺激下產(chǎn)生不穩(wěn)定或可變形的界面實(shí)現(xiàn)，它們不僅使污損生物更難粘附，而且通過動(dòng)態(tài)變形可促進(jìn)已經(jīng)附著在表面的污損生物脫附。目前 外源性刺激如電場(chǎng)或磁場(chǎng)已被用于制備動(dòng)態(tài)表面防污材料，也得到很好的驗(yàn)證。但如何根據(jù)在航裝備或者海上平臺(tái)的服役特點(diǎn)設(shè)計(jì)制備物理動(dòng)態(tài)表面防污材料，將具有更廣泛的適用性。

圖2. 化學(xué)動(dòng)態(tài)表面防污材料

圖3. 物理動(dòng)態(tài)表面防污材料

污損脫附型防污材料是指與污損生物間粘附強(qiáng)度較弱的材料，通過水流沖刷或機(jī)械清除等物理作用即可達(dá)到防污目的。目前以柔性有機(jī)硅彈性體為主， 其核心為低表面能、高彈性、表面光滑等，使得污損生物不易于粘附或附著不牢。然而它們通常存在力學(xué)強(qiáng)度低、與基底附著力弱、靜態(tài)防污能力差等問題。基于“剛?cè)岵?jì)”策略，通過有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化方式將線型聚二甲基硅氧烷網(wǎng)絡(luò)發(fā)展為體型聚硅氧烷高度交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，從而制備高強(qiáng)韌 “聚合物陶瓷”涂層，是污損脫附型防污材料發(fā)展的重要方向。該材料兼具有聚合 物和陶瓷的性質(zhì)(即柔性陶瓷)，表現(xiàn)出高硬度、高附著力、耐磨性，在保持污損脫附性能的同時(shí)，可引入污損阻抗基團(tuán)，并拓展到抗油、抗垢、抗冰等。進(jìn)一步還可引入自修復(fù)或可回收功能，有望成為下一代海洋防污涂層。

圖4. 污損脫附型防污材料優(yōu)缺點(diǎn)

圖5. “聚合物陶瓷”污損脫附型防污材料

污損阻抗型防污材料是指可抑制、阻止海生物附著生長(zhǎng)的材料，通常為親水性高分子，其表面可形成一層水化層，當(dāng)生物靠近時(shí)要突破水化層才能與基體表面粘結(jié)，這就導(dǎo)致需要更多能量，因此降低了粘附的可能性。這類材料主要包括聚乙二醇、兩性離子聚合物和水凝膠等，對(duì)蛋白質(zhì)、海洋細(xì)菌、綠藻孢子和藤壺幼蟲等的阻抗能力良好。然而，對(duì)于具有水化層的防污材料，如何實(shí)現(xiàn)親水性和力學(xué)強(qiáng)度之間的平衡仍然具有挑戰(zhàn)性。自生成兩性離子聚合物與表面自富集策略等的出現(xiàn)提供了潛在解決方案。對(duì)于其它類型的污損阻抗策略，如 蛋白質(zhì)基涂層和帶電涂層，它們?cè)诤Ｑ蟓h(huán)境中的長(zhǎng)期有效性還需要進(jìn)一步研究。

圖6. 污損阻抗型防污材料

除了以上防污材料外，新興的防污策略（如天然防污劑、酶防污劑、紫外線照射）也在積極探索中。這些新興方法旨在為海洋防污提供環(huán)境友好、經(jīng)濟(jì)高效和可擴(kuò)展的解決方案。然后，這些新興策略也需要新型高分子材料相互協(xié)同，例如要解決天然防污劑或酶防污劑在防污體系中的相容性、活性和可控釋放，這就需要高分子材料的創(chuàng)新設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖7. 新興防污策略

綜上所述，本文重點(diǎn)討論了海洋防污高分子材料結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，然后探討了當(dāng)前海洋防污面臨的挑戰(zhàn)，并提出了可能解決方案。展望未來(lái)，海洋防污技術(shù)的趨勢(shì)和重點(diǎn)是生態(tài)友好、長(zhǎng)效、廣譜、智能化。這需要多領(lǐng)域的交叉研究，如防污手段與智能檢測(cè)的融合、防污材料與深度學(xué)習(xí)的融合等。該綜述旨在為讀者提供對(duì)海洋防污高分子材料和界面的全面了解，同時(shí)激發(fā)對(duì)新一代環(huán)境友好海洋防污體系的研究。相關(guān)工作以“ Leveraging Polymeric Design for Marine Anti-Biofouling: Mechanism, System, and Future”為題發(fā)表在《Advanced Materials》上，華南理工大學(xué)博士生黃印杰為本文第一作者，馬春風(fēng)教授為本文通訊作者。

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202518234