天然海水中聚吡咯膜的防微生物附着及防腐蚀性能

马晓丹，张志明，于良民

(中国海洋大学，海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室，化学与化工学院，青岛266100)



天然海水中聚吡咯膜的防微生物附着及防腐蚀性能

马晓丹，张志明，于良民

(中国海洋大学，海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室，化学与化工学院，青岛266100)

摘要采用恒电流法在316 L不锈钢电极表面合成聚吡咯( PPy)，通过开路电位、生物显微镜( BM)、Tafel极化曲线及电化学交流阻抗( EIS)研究了聚吡咯防止微生物附着及防腐蚀特性.研究表明，沉积聚吡咯的316 L不锈钢电极浸泡在天然海水中( 0～20 d)，开路电位基本保持不变，表明电化学合成的聚吡咯膜有良好的防止微生物附着能力，并通过生物显微镜进行了验证，且在浸泡的过程中其腐蚀电流密度维持在10－7mA/cm2，表现出良好的防腐蚀特性;浸泡50 d后，其防腐蚀效率仍高达97. 45%.因此，电化学合成的聚吡咯具有优异的防止微生物附着和防腐蚀特性.

关键词聚吡咯膜;微生物附着;防腐性能;天然海水

在海洋环境中，海洋设施不可避免地会遭受微生物的附着，而金属材料还因受微生物附着而带来腐蚀.微生物都有群居的习性，它们会倾向于集中在金属表面，生长、繁殖，然后形成微生物膜，该膜环境能为更多的微生物附着提供适宜的pH和溶解氧［1～6］，随着时间的延长，微生物的腐蚀会变得越来越严重，因此解决微生物腐蚀是一个不可忽视的课题，而抑制微生物附着是解决微生物腐蚀的行之有效途径［7～10］.

传统的防止微生物附着的方法主要是机械擦除及超声振荡等物理方法，或者采用杀菌剂，在金属表面刷防污涂料及阴极极化等方法［11］.但是这些方法都存在着固有的弊端，如物理方法使用范围比较局限，操作不方便;化学方法杀菌剂的使用会对环境造成比较严重的污染.因此，寻求一种新型无毒高效的防微生物附着的方法显得尤为重要.

导电聚合物的研究［12］为人们开辟了新的思路.聚吡咯具有单体无毒，容易制备，所制备的膜电导率高［13～16］，机械性能好且在空气中稳定性好和电化学氧化还原稳定性［17］等优点，逐渐成为最具商业价值的导电聚合物之一，并已经在电子传导、电化学电容、气体探测等方面得到广泛研究，尤其是聚吡咯良好的防腐特性备受关注.然而，对于聚吡咯防微生物附着方面的研究还鲜有报道.

本文采用电化学方法在316 L不锈钢电极表面合成聚吡咯薄膜，通过检测其电化学性质的变化研究其在天然海水中的防微生物附着特性和防腐蚀特性.结果表明，电化学合成聚吡咯膜有良好的防止微生物附着和防腐特性.

1　实验部分

1.1试剂与仪器

吡咯单体(在氮气保护下常压二次蒸馏)和98%(质量分数)浓硫酸(国药集团试剂有限公司)等所有试剂均为分析纯.

电子天平SCA210(梅特勒托利多称重体系有限公司) ;超声波清洗器KQ100B(昆山市超声仪器有限公司) ;电化学工作站PGSTAT302N(瑞士万通公司) ;生物显微镜Leica Microsystems Ltd CH-9435Heerbrugg(瑞华同辉光电科技有限公司) ;激光共聚焦显微镜3D MEASURING LASER MICROSCOPE OLS4000(奥林巴斯有限公司) ; KEITHLEY电导率仪( 2400 Source Meter，2182A NANOVOLTMETER) ;三电极体系;参比电极为甘汞电极217-01(雷磁-上海仪店科学仪器有限公司) ;对电极为铂电极( 2 cm×2 cm).

1.2工作电极的制备

工作电极为316 L不锈钢电极(电极的底面是直径为1. 5 cm的圆，厚3 mm)，电极的背面电焊引出铜导线，利用环氧树脂将样品包封，露出的工作电极是面积为1. 767 cm2的圆.使用前将电极依次利用200#，400#，600#，800#，1000#金相砂纸打磨，然后依次用丙酮和乙醇除油，蒸馏水洗净后放置在干燥器内备用.

1.3聚吡咯膜的制备

利用恒电流法合成聚吡咯膜，将80 mL( 0. 56 mol/L)吡咯溶液加入到16 mL( 1. 0 mol/L)硫酸溶液中，混合均匀.以316 L不锈钢电极为工作电极，铂电极为对电极，利用KEITHLEY恒电流源控制电流密度为2. 5 mA/cm2，反应进行10 min.用去离子水冲洗合成的聚吡咯膜，晾干待用.利用四电极法测聚吡咯膜的电导率，σ=235 S/cm，膜的厚度为40 μm.

1.4电化学测试

电化学测试采用瑞士万通公司的AUTOLAB PGSTAT302N电化学工作站在室温下进行.体系由三电极组成，工作电极为316 L不锈钢或沉积聚吡咯316 L不锈钢，辅助电极为铂电极，参比电极为饱和甘汞电极( SCE).当工作电极的开路电位稳定后便可进行交流阻抗的测试，交流阻抗的频率范围为10 mHz～100 kHz，扰动电位为10 mV.极化曲线测试的扫描范围为±500 mV［vs.OCP(开路电位)］，扫描速度为0. 5 mV/s.

经过浸泡的电极在进行电化学检测之前，用灭菌海水冲洗3次;荧光扫描的不锈钢片用灭菌海水进行冲洗，晾干后，采用吖啶橙和碘化丙啶对其进行荧光染色.

将316 L不锈钢电极(空白电极)和沉积聚吡咯膜的316 L不锈钢电极(样品电极)分别浸泡在天然/灭菌海水中，每隔一段时间记录电极开路电位变化.通过生物显微镜观察电极表面微生物的附着情况，实验条件均为室温.

根据工作电极在电解质溶液中的极化电流密度icorr和空白电极的极化电流密度icorr( C)，计算防腐蚀效率［18］:

2　结果与讨论

2.1聚吡咯的表征

图1为所合成聚吡咯的红外吸收光谱.可以看出，其主链的分子结构与用其它方法得到的聚吡咯的主链结构相似［19］.在1534和1455 cm－1处的吸收峰分别由吡咯环的对称和不对称伸缩振动引起的［20］，1298和1028 cm－1处的吸收峰分别由C—H键的变形振动和C—N的伸缩振动引起［21］，对应于C—H键的面内伸缩振动; 567 cm－1为N—H面外弯曲振动峰［22］，659 cm－1为C—H面外弯曲振动峰.3684 cm－1对应于硫酸的O—H键的伸缩振动峰［23］，证明了已掺杂硫酸.

Fig.1　FTIR spectrum of polypyrrole

Fig.2　X-Ray diffraction pattern of polypyrrole

图2为所合成聚吡咯X射线衍射谱图.可以看出，以硫酸为掺杂剂的聚吡咯膜在2θ= 26. 8°处出现1个较强的宽峰，表明所合成的聚吡咯为无定形，该衍射峰与聚吡咯分子链间的有序结构有关［24］.

2.2聚吡咯膜的防微生物附着性能

2.2.1开路电位图3为将空白电极和样品电极浸泡在天然海水和灭菌海水中开路电位随时间变化情况.从图3( A)可以看到，在浸泡1～5 d，空白电极的开路电位由－0. 18 V逐渐增大至0. 15 V，正移约350 mV;继续浸泡，空白电极的开路电位则稳定在0. 15 V左右，保持不变.而浸泡在灭菌海水中的空白电极，开路电位比较稳定，一直维持在－0. 10 V左右.空白电极在天然海水中的开路电位的升高主要是因为天然海水中微生物在电极表面的附着引起的.这种现象与文献［11］报道的惰性金属在天然海水中开路电压的变化趋势一致.与空白316 L不锈钢电极相比，样品电极浸泡在天然海水和灭菌海水中0～20 d，电极的开路电位均维持在0. 03 V左右，随时间的波动很小，这说明在天然/灭菌海水中，样品电极表面基本没有微生物附着.表明聚吡咯膜具有较好的防止微生物附着性能.

Fig.3　Open circuit potentials of 316L stainless steel( SS) electrode( A) and 316L SS electrode coated with polypyrrole( B) immersed in natural( a) and sterile seawater( b)

为了证明微生物的附着导致开路电压的升高，对浸泡在天然海水中的空白电极进行超声波实验.从图4( A)可以看出，空白电极在天然海水中浸泡20 d以后，对其进行超声波处理，其开路电位发生了明显的负移，由0. 15 V降至－0. 18 V，负移至浸泡最初的开路电压值.继续浸泡5 d，电极的开路电位又逐渐恢复到了0. 15 V左右.证明了微生物的附着改变了电极的电化学性质，即微生物的附着导致空白电极的开路电位的上升.而对在天然海水中浸泡20 d的样品电极进行超声波实验，其开路电位基本上没有发生变化，与之前的开路电位数值基本相同［图4( B)］.这主要是因为浸泡在天然海水中的样品电极，其表面基本上没有微生物附着，所以对样品电极进行超声波处理后，其开路电位没有发生明显的变化.

Fig.4　Open circuit potential of 316L SS electrode( A) and 316L SS electrode coated with polypyrrole( B) immersed in natural seawater after being treated under ultrasound

2.2.2生物显微镜利用生物显微镜对浸泡在天然海水中3和50 d的空白电极和样品电极进行了观察.图5显示，空白电极在海水中浸泡3 d后，其表面已有大量微生物覆盖［图5( A)］，继续浸泡至50 d时，空白电极表面的微生物附着更加密实［图5( C)］;与此相比，样品电极在海水中浸泡3 d，其表面基本没有微生物的附着［图5( B)］，将其继续浸泡至50 d，其表面只有极少量的微生物附着［图5 ( D)］.由此可见，聚吡咯具有较好的阻止微生物附着的能力.

Fig.5　Biological microscope images of bare electrode( A，C) and sample electrode( B，D) after being immersed in natural seawater for 3 d( A，B) and 50 d( C，D)

2.3聚吡咯膜的防腐蚀性能

通过极化曲线和电化学阻抗谱对沉积聚吡咯膜的316 L不锈钢电极的防腐蚀性能进行了测试.

2.3.1极化曲线图6为空白电极和样品电极在天然海水中浸泡不同时间的极化曲线.根据软件Nova 1. 8拟合的腐蚀电位和腐蚀电流等参数列于表1.

Fig.6　Polarization curves of 316 L SS( A) /316 L SS electrode coated with polypyrrole( B) electrode immersed in natural seawater for different time

Table 1　Fitting data of the 316 L SS electrode/316L SS electrode coated with polypyrrole immersed in natural seawater

从图6( A)可以看出，在天然海水中浸泡25 d，空白电极的阴极极化曲线基本类似，阳极极化曲线发生了明显的变化，电流密度明显减小，与文献［25］的结果一致.这主要是因为微生物在不锈钢电极表面的附着，改变了电极的阳极反应，结果钝化电流减小，相应的电极开路电位正移，所以微生物对电极电化学性质的影响主要是对阳极反应的抑制.此外，聚吡咯本身具有一定的氧化还原能力，能够加速电极表面钝化层的形成并且修复遭到破坏的钝化层［26，27］，从而有效降低电流密度.

由表1可见，空白316 L不锈钢电极浸泡在天然海水中，其腐蚀电位由2 h的－0. 4447 V正移到了25 d的－0. 0411 V，正移了0. 4036 V;而相应的电流密度由6. 365×10－6mA/cm2降低至2. 131×10－8mA/ cm2，说明浸泡的前期海洋微生物的附着及聚苯胺本身的氧化还原能力均有利于耐腐蚀性的提高.然而，电极继续浸泡至50 d，空白电极的腐蚀电流密度由10－6mA/cm2增至10－5mA/cm2，空白电极被严重腐蚀.

与空白电极相比，随着浸泡时间的延长( 5～50 d)，沉积聚吡咯膜的样品电极在天然海水中的腐蚀电位由－0. 3026 V小幅增加到－0. 3679 V，增加幅度较空白电极小很多，说明聚吡咯较好地阻止了电极表面微生物的附着.相对应的腐蚀电流密度一直稳定在10－7mA/cm2，始终保持较高的防腐蚀效率，浸泡50 d后，其防腐蚀效率仍大于96%.

2.3.2电化学阻抗将空白电极浸泡天然海水中50 d，测阻抗图谱，结果如图7所示.拟合阻抗的等效电路图如图8所示.溶液电阻Rs、界面双层电容Qp、直流极化电阻Rp和Warburg阻抗( W)拟合数据列于表2.

Fig.7　EIS of 3l6 L SS electrode immersed in natural seawater for 50 d for Nyquist polts( A)，Bode magnitude polts( B) and Bode phase angle plots( C)

Fig.8　Equivalent circuit of 316 L SS electrode immersed in natural seawater 2 h—15 d( A) and 25—50 d( B)

Table 2　EIS fitting data of 316 L SS electrode immersed in natural seawater

由表2可见，空白316 L不锈钢电极浸泡在天然海水中，当浸泡2 h时，其Rp值为3. 06 kΩ·cm2，继续浸泡至5 d时，电极的Rp值增加了一个数量级，达28. 5 kΩ·cm2，再继续浸泡电极的阻抗进一步增加至35. 7 kΩ·cm2，说明在浸泡的前期，其防腐蚀性能随着时间的延长而增加［28］.这主要是因为电极在浸泡的过程中，微生物在电极表面的附着导致电极的阻抗值增大，大约在15 d形成较稳定的微生物膜.这期间，电极的阻抗谱为单容抗弧，Bode只含有1个时间常数，说明该阶段电极表面的微生物膜比较致密，海水没有达到微生物膜/基底不锈钢界面.继续浸泡超过15 d，电极的阻抗谱由单容抗弧转变为低频出现带有扩散阻抗特征的阻抗谱.虽然扩散尾与实轴的夹角偏离45°，但是由Bode图可以明显看出扩散阻抗的特征，夹角偏离45°的原因是测试体系受弥散效应影响的缘故.浸泡至50 d时，电极的Rp值骤减至6. 50 kΩ·cm2，此时电极表面被严重腐蚀.综上所述，空白电极在天然海水中浸泡初期，微生物膜的附着起到抑制不锈钢腐蚀的作用，然而随着时间延长，微生物的附着最终要导致腐蚀.

图9为样品电极浸泡在天然海水中的电化学阻抗谱.其相应的等效电路如图10所示.拟合的参数见表3.由图9( A)可以看出，在阻抗图谱的平面上，在低频区出现了一条福角为45°的直线，也就是说在平面电极上出现了半无限扩散阻抗(即Warburg阻抗).

Fig.9　EIS of 316 L SS electrode coated with polypyrrole immersed in natural seawater for different time( A) Nyquist polts; ( B) Bode magnitude polts; ( C) Bode phase angle plots.

由表3可知，将附有聚吡咯不锈钢电极在天然海水中浸泡2 h，Rp值是0. 82 kΩ·cm2，该值比不锈钢空白电极要小很多，主要原因是虽然不锈钢电极的导电性比聚吡咯的导电性强很多，但是不锈钢电极在海水中浸泡时非常容易发生钝化，在其表面会形成一层致密的钝化膜，增加了空白电极的Rp值.而聚吡咯作为导电聚合物，本身具有一定的导电性(σ= 235 S/cm)，所以样品电极的Rp值很小.随着样品电极在天然海水中浸泡时间的增加，其Rp值仅仅发生了稍许增加，这是由于海水为弱碱性，聚吡咯在天然海水随着浸泡时间的延长会发生脱掺杂，其导电性下降，且在长期的浸泡过程中，聚吡咯膜表面有少许的微生物附着，也会导致阻抗的增加.

Fig.10　Equivalent circuit of 316 L SS electrode coated with polypyrrole immersed in natural seawater

Table 3　EIS fitting data of 316 L SS electrode coated with polypyrrole immersed in natural seawater

聚吡咯优良的防腐蚀性能主要源于聚吡咯的氧化还原特性.聚吡咯的还原电位为－0. 1～0. 3 V(相对于标准氢电极pH=7)，而氧化还原电对Fe/Fe2+的还原电位为－0. 63 V.当聚吡咯与不锈钢接触时，在水和氧气的共同参与下两者发生氧化还原反应，在界面处形成一层致密的金属氧化膜［29］，从而降低电流密度，有效保护金属.

关于聚吡咯优良的防微生物附着性能可能与聚吡咯本征型导电聚合物的结构特征有关.与其它本征型导电聚合物一样，聚吡咯分子具有长的共轭体系，表现出富电子特性，而微生物在海水体系表面带负电荷，富电子的聚吡咯对带负电荷的微生物产生排斥阻止微生物在聚吡咯表面的附着，深入的防微生物附着机理有待在今后的研究工作中进行.

3　结　论

通过电化学聚合的方法制备聚吡咯膜，通过生物显微镜、开路电压、极化曲线及电化学阻抗谱对聚吡咯膜防微生物附着和防腐特性进行了研究.结果表明，沉积聚吡咯膜的316 L不锈钢电极浸泡在天然海水中，随浸泡时间的延长，电极的开路电压基本维持不变，当浸泡时间延长至50 d，其表面没有明显微生物附着，说明聚吡咯膜具有较好的阻止微生物附着的能力;通过极化曲线和电化学阻抗谱也证实聚吡咯膜具有较好的防腐蚀特性，在天然海水中浸泡50 d后，其腐蚀电流密度仍维持在10－7mA/cm2，其防腐蚀效率仍高达97. 45%.

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Antimicrobial Adhesion and Anticorrosion Properties of Polypyrrole Film in Natural Seawater†

MA Xiaodan，ZHANG Zhiming，YU Liangmin*
( Key Laboratory of Marine Chemistry Theory and Technology，Ministry of Education，College of Chemistry and Chemical Engineering，Ocean University of China，Qingdao 266100，China)

Abstract Polypyrrole was deposited on the surface of the 316L stainless steel electrode through galvanostatic method，and the antifouling property of the polypyrrole film in natural seawater was analyzed via open circuit potential，biological microscope，Tafel polarization curve and electrochemical impedance spectroscopy.It was found that the open circuit potential of the stainless steel electrode coated with polypyrrole was stable after 20 d of the immersion in the natural seawater，which indicates that the polypyrrole had a good ability to prevent the microorganism from attaching.This can be confirmed by the biological microscope.And the corrosion current density maintained at 10－7mA/cm2and showed good anticorrosion performance.The anticorrosion efficiency can still reach up 97. 45% even the electrode is immersed in natural seawater for 50 d.Therefore，it could be concluded that the polypyrrole synthesized by electrochemical method exhibited good properties in the prevention of microbial attachment and good anticorrosion performance.

Keywords Polypyrrole film; Microbial attachment; Anticorrosion; Natural seawater

( Ed.: D，Z)

†Supported by the National Natural Science Foundation of China( No.41476059) and the Public Science and Technology Research Funds Projects of Ocean of China( No.201005028-2).

基金项目:国家自然科学基金(批准号: 41476059)和海洋公益性行业科研专项经费(批准号: 201005028-2)资助.

收稿日期:2015-08-07.网络出版日期: 2015-12-26.

doi:10.7503/cjcu20150627

中图分类号O631

文献标志码A

联系人:张志明，女，博士，教授，博士生导师，主要从事导电聚合物微/纳米结构研究.E-mail: zzmcyj@ ouc.cn