Construction of a Soft Antifouling PAA/PSBMA Hydrogel Coating with High Toughness and Low Swelling through the Dynamic Coordination Bonding Provided by Al(OH)3 Nanoparticles

材料科学 肿胀 的 涂层 生物污染 自愈水凝胶 纳米颗粒 复合材料 化学工程 氢键 弹性体 单体 粘附 甲基丙烯酸酯 高分子化学 聚电解质 聚合物 纳米技术 分子 有机化学 化学 工程类 生物化学
作者
Jinpeng Hu,Dezhi Zhang,Wenbao Li,Yan Li,Guorong Shan,Min Zuo,Yihu Song,Zi Liang Wu,Lie Ma,Qiang Zheng,Miao Du
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (5): 6433-6446 被引量:21
标识
DOI:10.1021/acsami.3c17580
摘要

Marine biofouling, resulting from the adhesion of marine organisms to ship surfaces, has long been a significant issue in the maritime industry. In this paper, we focused on utilizing soft and hydrophilic hydrogels as a potential approach for antifouling (AF) coatings. Acrylic acid (AA) with a polyelectrolyte effect and N-(3-sulfopropyl)-N-(methacryloxyethyl)-N,N-dimethylammonium betaine (SBMA) with an antipolyelectrolyte effect were selected as monomers. By adjusting the monomer ratio, we were able to create hydrogel coatings that exhibited low swelling ratio in both fresh water and seawater. The Al(OH)3 nanoparticle, as a physical cross-linker, provided better mechanical properties (higher tensile strength and larger elongation at break) than the chemical cross-linker through the dynamic coordination bonds and plentiful hydrogen bonds. Additionally, we incorporated trehalose into the hydrogel, enabling the repair of the hydrogel network through covalent-like hydrogen bonding. The zwitterion compound SBMA endowed the hydrogel with excellent AF performance. It was found that the highest SBMA content did not lead to the best antibacterial performance, as bacterial adhesion quantity was also influenced by the charge of the hydrogel. The hydrogel with appropriate SBMA content being close to electrical neutrality exhibits the strongest zwitterionic property of PSBMA chains, resulting in the best antibacterial adhesion performance. Furthermore, the pronounced hydrophilicity of SBMA enhanced the lubrication of the hydrogel surface, thereby reducing the friction resistance when applied to the hull surface during ship navigation.
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