基于贝壳表面微结构的仿生表面制备技术研究

摘要

船舶污损生物问题是人类自接触海洋以来就一直存在的复杂问题，污损生物的附着会增大船舶负载，降低船速、增加燃油消耗并且对海洋生态环境造成潜在威胁，如果得不到控制将会严重影响船舶性能。日益严格的环境保护法规使有毒防污涂料遭到淘汰，探索环境友好型防污方法已成为趋势。通过调控材料表面微结构可以达到不同的防污效果，本文从仿生角度出发，以具有不同表面微结构的海洋贝壳为仿生对象，使用高分子聚合物材料制备具有贝壳表面微结构的仿生表面，为基于贝壳表面微结构防污方法研究奠定基础。
　　 选用日本镜蛤、加夫蛤、华贵栉孔扇贝、青蛤和锥形光壳蛤这5种防污能力不同的贝壳为仿生对象，以聚二甲基硅氧烷(PDMS)为阴模材料，环氧树脂E44和聚氨酯PU胶分别为阳模材料，采用生物复制成型方法制备出具有贝壳表面微结构的仿生表面。
　　 为了研究环氧树脂和聚氨酯复型精确性，以及比较这两种材料制备的贝壳仿生表面的优劣，利用三维表面轮廓测量设备对贝壳及仿生模板的表面形貌进行了测量。采用双正交小波变换对所测形貌数据进行处理，去除表面形状误差。
　　 选用表面平均粗糙度Sa，均方根Sq，表面峭度Stdi，表面十点不平整值Sz，谷峰距Sy以及表面纹理指数Stdi这6个参数来评价贝壳及其仿生表面表面形貌的相似度。绘制出贝壳及仿生表面各个相应测量部位的微观形貌图。
　　 分析结果表明：环氧树脂材料制备出的仿生表面，其形貌参数与5种贝壳实际表面粗糙度参数相对误差较小，基本都在10％以下，可以说明环氧树脂材料可以较精确复型贝壳表面特殊微结构。采用聚氨酯PU材料制备出的贝壳仿生表面中，日本镜蛤、加夫蛤底部、锥形光壳蛤底部形貌的粗糙度参数与贝壳实际表面形貌参数相对误差较大。原因是聚氨酯PU和固化剂固化反应非常快，使阴模细密纹理间存在的细微气泡受热膨胀但来不及逸出，另一方面，聚氨酯反应时放出的热量会导致PDMS阴模弹性体的变形，从而使脱模后的阳模表面形貌失真，引起日本镜蛤和光壳锥形哈仿生表面数据误差偏大。