基于螃蟹表面微结构的仿生表面制备及防污性能分析

摘要

船舶在海洋中航行，浸在海水中的船体水线下部位会受到污损生物的附着，给船舶营运带来巨大危害，不仅增加燃油消耗还加剧船体腐蚀，降低船舶经济性和安全性。传统的防污方法是在船体表面涂装防污涂料，涂料大多含有毒性，会对海洋环境造成危害。随着人们环保意识的逐渐增强，这种有毒的涂料必将会被时代所淘汰，研制新型环保的防污技术用于船体表面将会成为未来发展的趋势。自然界中，很多海洋生物自身就具有防止污损生物附着的特性，研究较多的鲨鱼、海豚和海洋贝壳能通过自身表皮的微结构保持表面清洁，这为构筑微结构防污涂层提供了重要的参考。 受此启发，论文选取螃蟹作为研究对象，不同于鲨鱼和海豚在海水中高速游动而且有粘液分泌，螃蟹一般静止在海洋岩石缝隙中，即使爬行也较为缓慢，表面无粘液渗出，选择螃蟹作为仿生对象，符合船舶污损一般发生在静止停泊状态这一实际情况。通过超景深显微镜和扫描电子显微镜观察和分析螃蟹壳表面，螃蟹表面存在复合尺度微结构，既有超过100μm的结构，也具有不到10μm的结构。通过对大量的形貌提取和数据统计分析，基于螃蟹壳表面微观结构特性设计了6种不同尺度的微结构，前3种结构高度均为20μm，直径分别为100μm、150μm和200μm的圆柱，圆柱与圆柱之间的间距分别为100μm、150μm和150μm。另外3种结构是高度均为3μm，直径均为3μm的圆柱，圆柱与圆柱之间的间距分别为4μm、7μm和10μm。 通过反应离子刻蚀技术（RIE）在硅片表面加工出了这6种不同尺度的微结构。激光共聚焦扫描显微镜测试结果表明，硅片表面加工的微结构，符合设计要求。对6种结构进行接触角测量，分析结果显示，都增大了表面接触角，其中间距为4μm的微结构表面接触角达到了125°，增大最为明显。利用复型法，采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和有机硅改性丙烯酸酯(SMAR)复型了6种不同硅片表面的微结构。在复型效果和操作的复杂程度上SMAR优于PMMA，因此，SMAR更适合作为复型选用材料。 对利用复型法制备的具有不同尺度结构的表面采用实验室硅藻静态附着试验方法进行防污性能测试。结果表明，无论是用SMAR还是PMMA复型的间距分别为100μm、150μm的表面，都一定程度上增大了硅藻的附着，因此螃蟹壳表面超过100μm的较为宏观结构并不具有防污效果。间距为4μm、7μm的复型表面，防污效果最好，用SMAR复型的间距为4μm、7μm表面可降低舟型藻的附着量分别为53%和63%，降低三角褐指藻的附着量分别为45%和60%。用PMMA复型的间距为4μm、7μm表面降低舟型藻的附着量分别为46%和23%，降低三角褐指藻的附着量分别达到了52%和40%。两种不同材料复型的间距为100μm的微结构，除了PMMA复型的能降低舟型藻附着9%外，其余均轻微的增加了硅藻的附着量。分析仿螃蟹表面所制备出的不同尺度结构对硅藻附着抑制率表明，螃蟹表面复合结构中，真正起到防污效果的是10μm以下的结构，其中间距在4-7μm之间的微结构能起到较好的防污效果。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 海洋污损生物附着机理

1.2.1 污损生物形成过程

1.2.2 污损生物附着影响因素

1.3 绿色环保型仿生防污涂层的构筑

1.3.1 仿生亲水性防污涂层的构筑

1.3.2 仿生微结构防污涂层的构筑

1.4 主要研究意义与内容

1.4.1 研究意义

1.4.2 研究内容

第2章 螃蟹表面形貌测量与尺寸提取

2.1 常见表面形貌测定

2.2 常用三维形貌测量仪器

2.3 螃蟹样品的选取

2.4 表面形貌提取过程

2.5 螃蟹表面形貌参数的测量与统计分析

2.6 本章小结

第3章 仿螃蟹表面微结构的制备

3.1 表面微结构的加工

3.1.1 常用的表面微结构加工方法

3.1.2 反应离子刻蚀

3.2 加工微结构表面性能测试

3.2.1 表面形貌的测量

2.2.2 微结构表面润湿性的测试

3.3 表面微结构的复型

3.3.1 实验材料及仪器

3.3.2 复型试验步骤

3.3.3 复型微结构表面形貌测量

3.4 本章小结

第4章 复型微结构表面防污性能分析

4.1 实验室硅藻静态附着试验

4.1.1 实验材料与设备

4.1.2 具体试验方案

4.2 SMAR复型表面防污性能分析

4.3 PMMA复型表面防污性能分析

4.4 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 主要结论

5.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文