微球构筑的仿生减阻防污涂层的研究

摘要

表面减阻和防污（防生物垢）对海洋航行器及医疗器件具有重要意义。经典的表面防污减阻方法有仿生法和涂层法，其中表面自组装微纳米形态构筑法是近年密集报道的方法。但自组装法存在制备工艺复杂及涂层稳定性差等问题。本课题提出亲水微区仿生涂层方案，即在疏水涂层中构筑亲水微区。首先，设计制备表面具有聚乙二醇(PEG)的微纳米聚苯乙烯球（PS-PEG微球）;将PS-PEG微球与丙烯酸酯聚合物乳液掺混，得到混合乳液;最后将混合乳液涂覆于材料表面，构筑具有亲水微区的丙烯酸酯聚合物涂层。本研究的目标是建立一种改善涂层减阻及防污性能，涂层稳定性好且易实现大面积装涂的仿生涂层技术。主要研究工作包括:
　　1、PS-PEG微球设计和制备方法研究。获得不同PEG含量、链长和粒径的微球，且微球表面具有可开环交联的环氧基。以苯乙烯(St)为主单体，甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)为功能单体，PEGMA为反应型大分子乳化剂，通过乳液聚合、微悬浮聚合及悬浮聚合等方法获得不同粒径和PEG支链含量的微球。结果表明:通过乳液聚合法可制备粒径可控且分布均匀的微球，以分子量为2080的PEGMA为大分子乳化剂，获得PEGMA投料比分别为0％、6％、10％和20％的PS-PEG微球，粒径范围为103.7±2.1-173.5±10.5nm。通过乳液聚合法，采用分子量分别为500、2080和5000的PEGMA，获得不同PEG链长的微球乳液，粒径范围为103.7±2.1-112.9±7.8nm;保持PEGMA(分子量为2080)含量相同，通过乳液聚合、微悬浮聚合和悬浮聚合（加入一定量DVB）法制备了粒径尺度范围分别为100nm、500nm、1μm和5μm级的微球。
　　2、涂层主材设计制备。本研究以丙烯酸酯聚合物作为涂层主材研究对象，设计玻璃化温度为35℃，且可通过环氧基开环交联。以甲基丙烯酸甲酯(MMA)和丙烯酸正丁酯(BA)为共聚单体，GMA为功能单体单体，通过无皂乳液聚合法制备丙烯酸酯聚合物乳液，实测聚合物玻璃化温度为40℃。
　　3、仿生涂层制备工艺及涂层表面形态、亲水性和稳定性研究。将以上微球乳液按一定质量配比与丙烯酸酯聚合物乳液共混，经涂覆、干燥过程获得涂层。研究了聚乙烯胺(PEI)对涂层的交联，确定适宜交联条件为80℃加热固化5h。通过扫描电镜考察涂层微球含量对表面形貌的影响，通过静态水接触角测试考察了微球含量对涂层亲水性的影响，研究了交联对涂层耐水稳定性的影响。结果显示:涂层中微球含量增大，表面微球排布愈加紧密，高于6wt％后，微球开始发生堆积。涂层水接触角随微球含量增大而减小，亲水性增强，当微球含量由0wt％增加至15wt％，涂层水接触角可从83.5±1.8°降低至67.5±1.8°;交联涂层振荡30天前后水接触角基本不发生变化，耐水稳定性好。
　　4、涂层水流流体阻力及其影响因素研究。通过扭矩法考察涂层中微球含量、不同PEGMA投料比微球、不同粒径大小微球、表面不同PEG链长微球对交联涂层水流阻力的影响规律。结果显示:随着涂层中微球含量增大，涂层减阻率先增大后趋于平稳;微球粒径相当时，随微球中PEGMA投料比增大，涂层的减阻率增大，PEGMA投料比为20％的涂层减阻率最大为21％;微球中PEGMA的投料比及分子量相同时，随着涂层中微球粒径增大，最高减阻率先增大后减小，当微球粒径大小为500nm时，减阻率最大为34％;微球粒径大小相当及PEGMA添加摩尔比相同时，随着PEG链长增大，涂层的减阻率增大，PEGMA分子量为5000时最大为29％。
　　5、涂层抗蛋白吸附性能研究。采用异硫氰酸标记的牛血清蛋白为吸附蛋白，考察了涂层中微球含量，不同PEGMA投料比微球、不同粒径大小微球、表面不同PEG链长微球对交联涂层抗蛋白吸附性能的影响规律。结果显示:随着微球含量增大，涂层抗蛋白吸附效率增大，当微球含量为15wt％时，最大可达到97％;当微球含量为9wt％时，随微球中PEGMA投料比增大，抗蛋白吸附效率增大;不同粒径大小微球构筑的涂层，抗蛋白吸附效率均在90％以上。不同PEG链长微球的涂层抗蛋白吸附效果均良好，且随PEG链长增长而增大，PEGMA分子量为5000时，抗蛋白吸附效果达到97％。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 减阻技术及发展

1．1．1 减阻的意义

1．1．2 减阻技术的发展应用

1．2 仿生减阻技术

1．2．1 沟槽减阻法

1．2．2 柔性壁减阻法

1．2．3 超疏水减阻法

1．2．4 仿生血管及关节软骨组织

1．3 生物污损的抑制

1．3．1 抑制生物污损的意义

1．3．2 抑制生物污损技术

1．3．3 PEG的抗蛋白吸附特性

1．4 聚合物徽球的合成方法

1．5 课题的意义和目的

1．6 课题的主要研究内容及创新点

第二章 实验部分

2．1 原料与仪器

2．2 实验方法

2．2．1 微球的制备

2．2．2 丙烯酸酯聚合物乳液的制备

2．2．3 微球乳液及丙烯酸酯聚合物乳液的相关性能测试

2．2．4 仿生涂层的制备

2．2．5 仿生涂层表面形态测试

2．2．6 仿生涂层亲水性及耐水稳定性测试

2．2．7 仿生涂层水流阻力测试

2．2．8 仿生涂层抗蛋白吸附测试

第三章 结果与讨论

3．1 微球的设计制备

3．1．1 不同PEGMA投料比微球乳液的制备

3．1．2 不同粒径微球乳液的制备

3．1．3 微球表面PEG接枝链长的调控

3．1．4 微球聚合物的结构表征

3．2 丙烯酸酯聚合物乳液的设计制备

3．2．1 丙烯酸酯聚合物乳液的配方设计与制备

3．2．2 丙烯酸酯聚合物的结构表征

3．3 仿生涂层的制备配方与涂层表面形态

3．3．1 仿生涂层的制备配方

3．3．2 仿生涂层的表面形态

3．4 仿生涂层表面亲水性及耐水稳定性

3．4．1 仿生涂层表面亲水性

3．4．2 仿生涂层耐水稳定性

3．5 仿生涂层的水流阻力

3．5．1 微球PEGMA投料比对涂层水流减阻的影响

3．5．2 微球粒径对涂层水流减阻的影响

3．5．3 微球表面PEG链长对涂层水流减阻的影响

3．6 仿生涂层的抗蛋白吸附性

3．6．1 微球添加量对涂层抗蛋白吸附的影响

3．6．2 微球PEGMA投料比对涂层抗蛋白吸附的影响

3．6．2 微球粒径大小对涂层抗蛋白吸附的影响

3．6．3 微球表面PEG链长对涂层抗蛋白吸附的影响

第四章 结论

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者和导师简介