中科院寧波材料所表面微結構防污機制方面取得進展

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中科院寧波材料所表面微結構防污機制方面取得進展

海洋環境中多種污損生物，如藤壺、藻類、牡蠣、貽貝等在船舶外殼、海洋建筑物、養殖網箱等表面上無選擇性地大面積粘附或沉積的現象很普遍。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，加速海洋設施、建筑等結構件污損腐蝕而顯著縮短它們的壽命，導致養殖網箱、定置捕撈的網衣等網孔、管道堵塞，損壞海洋儀器、導致儀器傳動機構失靈、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施造成嚴重的危害，用防污涂料保護是最有效的方法。

隨著環保要求越來越高，研制環保無毒的防污涂層是海洋防污技術發展的主要方向。中國科學院寧波材料技術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構這兩點，在有機硅改性丙烯酸樹脂涂層表面構筑了多種仿生物表皮微結構、仿不同型號砂紙微結構以及多種幾何尺寸的微觀凸柱、凹坑和溝槽狀規則結構，并選取了具有代表性的三種海藻作為研究對象，系統探究了不同微結構的形狀、尺寸和間距大小對海藻附著能力的影響，并從微觀結構、材料的表面潤濕性和污損生物自身特點這三方面系統分析了涂層的防污機理。研究發現：

（1）與傳統模擬快速游行生物表皮結構不同，制備了仿荷葉、蟹殼、芋頭葉和玫瑰花瓣表皮結構的有機硅涂層，排除了水流沖刷作用對涂層防污性能的影響，并與傳統鯊魚表皮仿生結構對照。結果表明，仿荷葉、蟹殼和甲魚殼正負微結構的織構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74%和73%（海藻附著量的降低率）。相關研究結果發表于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了一系列大面積仿砂紙微結構的構筑。結果表明，不同型號的砂紙微結構表現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。相關研究結果發表于RSC Advances，2015，5，97862～97873。

（3）仿生結構多為不規則形狀，為了獲得普適性的經驗公式或規律，在涂層表面構筑了一系列不同直徑和間距的微觀凸柱、凹坑和溝槽等微結構，系統研究了涂層表面規則微結構的形狀和幾何尺寸對不同海藻的防污性能。微結構的形狀和尺寸都與涂層的防污性能有較強相關性，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/納凸柱之間區域和凹槽造成的“鑲嵌”會明顯加重海藻附著，據此建立了微結構、幾何參數和藻類吸附表現的構效關系。相關研究結果發表于AppliedSurfaceScience，311（2014）703～708。

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

（中科院寧波材料所）