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海洋生物污损给船舶等海洋人工装备和设施造成严重的危害,用防污涂料保护是最有效的方法。随着环保要求越来越高,研制环保无毒的防污涂料是海洋防污涂料发展的主要方向。鲨鱼、海蟹等海洋动物和荷叶等植物的叶子由于表面具有特殊的微/纳结构而表现出极好的防污功能。由此推断,在涂层表面构筑织构化形貌是一个提高其防污性能很好的思路。
基于这一思路,经过“生物样品-PDMS模板-目标涂层”的制备过程,实现了表面具有荷叶和蟹壳仿生织构的有机硅改性丙烯酸酯涂层的制备,利用傅里叶红外光谱仪(FTIR)、场发射扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)和接触角仪系统表征了所制备防污涂层的物理化学性能,并以新月藻和舟形藻为研究对象,考察了涂层的防污性能。结果发现:仿正/负荷叶织构化涂层因表面分别存在不规则排列的乳突和凹坑而有很好的防污效果,均可使新月藻附着量降低70%以上;且仿负荷叶织构化涂层可使舟形藻附着量降低74%。仿正/负蟹壳织构化涂层上因表面分别存在呈密排六方排列的倒刺凸起和凹坑也有很好的防污效果,对新月藻和舟形藻的附着量降低率均可达65%以上。
经过“硅片模板-PDMS模板-目标涂层”的制备过程,实现了具有规则微/纳凸柱、凹槽和微/纳凹坑状织构表面涂层的制备,表征了所制备涂层的物理化学性能,并以绿藻门的丝藻和硅藻门的新月藻和舟形藻作为研究对象,系统考察了涂层的防污性能。结果表明:表面规则织构化处理可显著提高涂层的海洋防污性能,对丝藻、新月藻和舟形藻防污能力依次降低,最佳条件下可分别降低附着量92%、81%和73%。
基于表面润湿性、拓扑形貌和藻类尺度大小三个关键因素,分析了织构化涂层有效防除微藻类附着的机理。研究结果表明:防污对象是新月藻时(尺寸远大于织构的尺寸),织构化涂层的防污性能与涂层表面的润湿性有较强相关性,保证疏水性的前提下拓扑形貌对防污性能的影响甚微;防污对象是舟形藻(尺寸接近于织构的尺寸)时,织构的拓扑形貌和尺寸都与涂层的防污性能有较强相关性;特殊织构造成的“架桥”和“气垫”可有效降低舟形藻附着,织构本身或织构之间区域造成的“镶嵌”反而会明显加重舟形藻附着。