海洋腐蚀与生物污损是制约船舶、海上平台等装备服役寿命的核心瓶颈。传统室温固化弹性体（如聚氨酯、硅橡胶、聚硫橡胶）往往在力学强度、界面附着力、防污性能或耐老化性之间存在“跷跷板”效应，难以实现多性能协同。超支化有机硅杂化弹性体为这一问题提供了一种解决方案。
近日，南京大学袭锴教授团队发表研究，通过超支化聚硅氧烷与硅烷改性聚丁二烯的杂化共聚，成功开发出一种无溶剂、室温固化的有机硅杂化弹性体（SPU-HPSi），实现了高拉伸强度（10.8 MPa）、优异防污（表面能<10.2 mJ/m²）、长效防腐及良好热稳定性的协同突破。
海洋装备长期处于高盐雾、强紫外、生物附着等多重威胁下，涂层材料需同时具备高力学强度、强界面附着力、优异的抗生物污损和抗介质渗透能力。然而，现有室温固化弹性体体系各有短板：聚氨酯机械性能好但耐候性和防污性不足；硅橡胶表面能低但强度与附着力差；聚硫橡胶耐油但力学和耐温性欠佳。如何在一个体系中集成多种防护功能，是海洋涂料领域长期未解的难题。
研究团队首先设计合成了含巯基苯并咪唑和苯基官能团的超支化聚硅氧烷（HPSi-MB），并通过水解缩聚与硅烷封端的异氰酸酯改性聚丁二烯（SPU）共聚，构建了有机-无机杂化交联网络。该结构具有三大特点：（1）高密度交联：超支化拓扑结构提供丰富的交联位点，显著提升材料的内聚强度与阻隔性能；（2）氢键增强：氨基甲酸酯键引入物理交联点，协同化学交联网络实现高强高韧；（3）低表面能微纳结构：HPSi-MB与聚丁二烯的极性差异诱导微相分离，表面形成纳米级乳突结构，赋予材料超疏水/疏油特性。
图 1. SPU-HPSi弹性体的合成路线示意图。（a）功能化超支化聚硅氧烷（HPSi-MB）的合成路线；（b）硅烷封端的异氰酸酯改性聚丁二烯预聚物（SPU）的合成路线。随着HPSi-MB含量的增加，SPU-HPSi的交联密度显著上升，力学性能获得跨越式提升。当HPSi-MB添加量达到最优比例时（SPU-HPSi80），材料的拉伸强度高达10.8 MPa，较未添加HPSi的对照组（1.48 MPa）提升超过630%；撕裂强度达到33.4 kN/m，增幅近500%；同时仍保持118.5%的断裂伸长率，实现了高强度与良好柔韧性的统一。此外，材料对碳钢、铝合金、钛合金等多种金属基材的粘接强度超过1.9 MPa（碳钢达2.95 MPa），划格法测试显示均为内聚破坏，证明其界面结合牢固。
图 2. SPU-HPSi弹性体基本性能表征。（a）横向弛豫时间（T₂）曲线；（b）交联网络结构分析：交联链段、悬挂链段和自由链段的比例，以及整体交联密度变化趋势；（c）邵氏A硬度变化趋势；（d）拉伸应力-应变曲线；（e）撕裂强度-位移曲线；（f）不同金属基材（碳钢、铝合金、钛合金、不锈钢）的粘接强度统计数据。微相分离诱导的表面纳米乳突结构，结合低极性聚丁二烯和硅氧烷链段的协同作用，使SPU-HPSi展现出极低的表面润湿性。SPU-HPSi80的水接触角达110.2°，二碘甲烷接触角98.5°，表面能仅10.2 mJ/m²，远低于传统防污涂层材料。优异的憎水憎油特性赋予了材料出色的“污损脱附”能力。一方面，该种材料可以很好地抑制藻类附着生长，在天然海水中浸泡30天后，SPU-HPSi80表面几乎无藻类生长，而对照组（无HPSi）表面被大面积藻类覆盖；另一方面，该种材料同时具有较为出色的抗蛋白吸附与抗菌粘附性。荧光标记蛋白吸附实验显示，SPU-HPSi80表面荧光信号极弱，蛋白吸附量极低；对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的粘附实验表明，随HPSi含量增加，材料表面粘附的菌落数量从数百个降至数十个，抗菌率大幅提升。这得益于苯并咪唑基团与锡离子的配位作用带来的非释放型抗菌功能。
图 3. SPU-HPSi0、SPU-HPSi20、SPU-HPSi40、SPU-HPSi60和SPU-HPSi80样品的防污性能评价。（a）藻类附着试验前后的表面形貌对比；（b）蛋白吸附试验前后的表面形貌对比；（c）抗菌污染试验后的表面细菌菌落数码照片，以及菌落计数和抗菌率统计数据。SPU-HPSi还展现出优异的耐盐雾老化性、水氧阻隔性（水蒸气、氧气透过率均比对照组降低幅度超过70%）、热稳定性（5%热分解温度提高40°C以上，1000°C残炭率达45.9%）、低火灾危险性（总热释放49.6 MJ/m²，总烟产生量6.7 m²）以及良好的电绝缘性能。这种集高力学强度、强界面粘接、广谱防污、长效防腐、热稳定与阻燃于一体的室温固化弹性体，为海洋工程、船舶防污、化工管道及极端环境下的金属防护提供了全新的材料方案。该工作也验证了超支化聚硅氧烷作为多功能交联平台在有机-无机杂化弹性体设计中的巨大潜力。
相关成果以“Construction of organosilicon hybrid elastomers based on hyperbranched architecture for synergistic enhancement of structural stability and protective performance”为题发表在《Reactive and Functional Polymers》上。南京大学化学学院博士生魏兆博为该工作的第一作者，袭锴教授为通讯作者。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.reactfunctpolym.2026.106741
关键词：超支化，有机硅杂化弹性体，表面防护
