寧波材料所在表面微結(jié)構(gòu)防污機制研究中取得進展

　　海洋環(huán)境中多種污損生物，如藤壺、藻類、牡蠣、貽貝等在船舶外殼、海洋建筑物、養(yǎng)殖網(wǎng)箱等表面上無選擇性地大面積粘附或沉積的現(xiàn)象很普遍。海生物污損會增加船底粗糙度引起船舶航行阻力增加、能耗與排放加劇，加速海洋設(shè)施、建筑等結(jié)構(gòu)件污損腐蝕而顯著縮短它們的壽命，導(dǎo)致養(yǎng)殖網(wǎng)箱、定置捕撈的網(wǎng)衣等網(wǎng)孔、管道堵塞，損壞海洋儀器、導(dǎo)致儀器傳動機構(gòu)失靈、信號失真、性能降低。海生物污損給船舶等海洋人工裝備和設(shè)施造成嚴(yán)重的危害，用防污涂料保護是最有效的方法。

　　隨著環(huán)保要求越來越高，研制環(huán)保無毒的防污涂層是海洋防污技術(shù)發(fā)展的主要方向。中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所海洋功能材料研究團隊針對海洋生物污損這一普遍存在的問題，借鑒海洋生物表皮具有的天然抗污損性能，基于有機硅樹脂較低的表面能和生物表皮所具有的微觀結(jié)構(gòu)這兩點，在有機硅改性丙烯酸樹脂涂層表面構(gòu)筑了多種仿生物表皮微結(jié)構(gòu)、仿不同型號砂紙微結(jié)構(gòu)以及多種幾何尺寸的微觀凸柱、凹坑和溝槽狀規(guī)則結(jié)構(gòu)，并選取了具有代表性的三種海藻作為研究對象，系統(tǒng)探究了不同微結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸和間距大小對海藻附著能力的影響，并從微觀結(jié)構(gòu)、材料的表面潤濕性和污損生物自身特點這三方面系統(tǒng)分析了涂層的防污機理。研究發(fā)現(xiàn)：

　?。?）與傳統(tǒng)模擬快速游行生物表皮結(jié)構(gòu)不同，制備了仿荷葉、蟹殼、芋頭葉和玫瑰花瓣表皮結(jié)構(gòu)的有機硅涂層，如圖1所示，排除了水流沖刷作用對涂層防污性能的影響，并與傳統(tǒng)鯊魚表皮仿生結(jié)構(gòu)對照。結(jié)果表明，仿荷葉、蟹殼和甲魚殼正負(fù)微結(jié)構(gòu)的織構(gòu)化涂層對舟形藻和新月藻均具有較好的防污性能，最佳防污效果分別高達(dá)74%和73%（海藻附著量的降低率）。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表于RSC Advances, 2015, 5, 36874-36881。

　　（2）砂紙常見易得，通過簡單高效的模板法在改性有機硅涂層表面實現(xiàn)了一系列大面積仿砂紙微結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑。結(jié)果表明，不同型號的砂紙微結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出對海藻不同的防污性能，5000目型號的砂紙對三種海藻具有廣譜的防污效果，微結(jié)構(gòu)防污機制如圖2所示。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表于RSC Advances, 2015, 5, 97862-97873。

　?。?）仿生結(jié)構(gòu)多為不規(guī)則形狀，為了獲得普適性的經(jīng)驗公式或規(guī)律，在涂層表面構(gòu)筑了一系列不同直徑和間距的微觀凸柱、凹坑和溝槽等微結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)研究了涂層表面規(guī)則微結(jié)構(gòu)的形狀和幾何尺寸對不同海藻的防污性能。微結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸都與涂層的防污性能有較強相關(guān)性，微/納凸柱造成的“架橋”，微/納凹坑形成的“氣墊”可有效降低海藻與涂層的附著面積和附著強度，從而可有效降低海藻附著，微/納凸柱之間區(qū)域和凹槽造成的“鑲嵌”會明顯加重海藻附著，據(jù)此建立了微結(jié)構(gòu)、幾何參數(shù)和藻類吸附表現(xiàn)的構(gòu)效關(guān)系，如圖3所示。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表于Applied Surface Science, 311(2014)703-708。

　　以上研究工作得到了國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展“973”計劃（2014CB643305）、浙江省創(chuàng)新團隊（2011R50006）等項目的大力支持。

圖1. (a-c) 仿荷葉正結(jié)構(gòu)，(d-f) 仿荷葉負(fù)結(jié)構(gòu)，(g-i) 仿蟹殼正結(jié)構(gòu)，(j-l) 仿蟹殼負(fù)結(jié)構(gòu)防污涂層。

圖2. 不同型號砂紙微結(jié)構(gòu)的防污機制

圖3. 舟形藻在不同微結(jié)構(gòu)表面的附著狀態(tài)和附著量