寧波材料所在表面微結(jié)構(gòu)防污機(jī)制研究中取得進(jìn)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(wú)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(huì)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(dòng)機(jī)構(gòu)失靈、信號(hào)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(hù)是最有效的方法。

　　隨著環(huán)保要求越來(lái)越高，研制環(huán)保無(wú)毒的防污涂層是海洋防污技術(shù)發(fā)展的主要方向。中國(guó)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(tuán)隊(duì)針對(duì)海洋生物污損這一普遍存在的問(wèn)題，借鑒海洋生物表皮具有的天然抗污損性能，基于有機(jī)硅樹(shù)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(diǎn)，在有機(jī)硅改性丙烯酸樹(shù)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(hào)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(duì)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(duì)海藻附著能力的影響，并從微觀結(jié)構(gòu)、材料的表面潤(rùn)濕性和污損生物自身特點(diǎn)這三方面系統(tǒng)分析了涂層的防污機(jī)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(jī)硅涂層，如圖1所示，排除了水流沖刷作用對(duì)涂層防污性能的影響，并與傳統(tǒng)鯊魚(yú)表皮仿生結(jié)構(gòu)對(duì)照。結(jié)果表明，仿荷葉、蟹殼和甲魚(yú)殼正負(fù)微結(jié)構(gòu)的織構(gòu)化涂層對(duì)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。

　?。?）砂紙常見(jiàn)易得，通過(guò)簡(jiǎn)單高效的模板法在改性有機(jī)硅涂層表面實(shí)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(hào)的砂紙微結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出對(duì)海藻不同的防污性能，5000目型號(hào)的砂紙對(duì)三種海藻具有廣譜的防污效果，微結(jié)構(gòu)防污機(jī)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(yàn)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(duì)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(qiáng)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(qiáng)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(huì)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(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展“973”計(jì)劃（2014CB643305）、浙江省創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（2011R50006）等項(xiàng)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(hào)砂紙微結(jié)構(gòu)的防污機(jī)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