柔性表面织构化在海洋装备减阻与防污上的应用

首先详细论述了生物污损的形成过程及原因,总结了生物污损对海洋装备服役的危害,并明确指出船体表面污着生物附着问题已成为阻碍船体表面减阻技术研究的一大难题。众多研究表明,研究表面结构与功能的统一性,实现表面的高效防护与减阻是海洋装备未来发展的必由之路。调控表面的形貌参数和物理化学性能,如润湿性等,以及研发抑制微生物的附着和繁殖,研制合适的防污剂,是当前两种主要研究思路。依据上述思路,基于海豚、鲨鱼柔性皮肤快速游动的减阻原理,考察常见防污涂层（聚氨酯）这种柔性表面,引入织构减阻。考察柔性表面及织构化参数在服役条件下对减阻行为及防污着生物附着的双重调控,有望实现海洋装备在服役工况下的节能降耗。最后展望了结合抗生物附着的细菌及其天然代谢物镶嵌、接枝到海洋装备表面,从而实现驱避和对抗污着生物附着功能的研究方法。     

基于表面微结构复制与润湿性调控的水下仿生防污技术研究进展

海洋生物污损会对人类海洋活动和海洋工业产生诸多不利影响，传统使用有机锡或金属离子杀生剂的防污策略会导致环境污染与生态系统的破坏，大自然生物有机体所展示的天然抗粘附机制为绿色防污材料研发带来新的灵感。受生物表皮物理结构及仿生防污机制启发，本文从生物表皮微结构研究入手，综述了仿生微结构复刻与表面润湿性调控两种水下仿生防生物污损策略的研究进展，并展望其前景。     

仿生协同防污涂层的制备及性能

目的 将低表面能、仿生、纳米粒子防污技术相结合,制备出具有仿生协同效应的海洋防污涂层.方法 利用光刻法加工出带有负向形貌的硅板,以低表面能材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)为基体,加入纳米ZnO、仿渗型防污剂苯基甲基硅油(PSO)以及固化剂、分散剂等助剂,经固化倒模,得到表面具有微米级织构的仿生协同效应的海洋防污涂层.通过扫描电子显微镜、X射线能谱仪分析观察涂层的表面形貌及元素分布.通过立体显微镜、红外分光测油仪观察并测定涂层中PSO的渗出速率.通过拉伸试验研究涂层的力学性能.通过接触角测试和硬度测试研究涂层的表观性能.通过抗菌实验研究涂层的防污性能.结果 涂层表面具有规则且完整的微米级织构,由于PSO和纳米ZnO的添加,涂层的疏水性能和力学性能显著提升,10％ZnO含量的涂层具有最佳的力学性能和防污剂释放速率.表面具有圆柱形织构的协同防污涂层的抗细菌粘附效果最好,其细菌粘附率减少了90％.结论 该仿生协同防污涂层相比单一原理防污涂层具有更为优异的防污效果,通过纳米ZnO的加入调控了防污剂PSO的渗出速率,延长了涂层的使用期效,且不会对环境产生污染,具有良好的发展前景.     

基于自清洁型海洋智能防污涂层的最新研究进展

从自修复防污涂层、可逆切换粘附表面、自更新动态表面3个方面介绍了自清洁型海洋智能防污涂层技术的研究进展,及其在延长涂层服役寿命和主动防污方面起到的关键作用。自修复涂层通过微胶囊或可逆动态键修复破损的超疏水表面,延长其防污寿命。通过可逆切换粘附表面响应p H、应力或温度变化,进行亲/疏水表面的可逆切换,从而使污染物脱附。自更新动态表面可以根据周围微环境变化产生响应,发生聚合物降解、脱落、杀菌剂控制释放等行为,不仅可以减少污损生物的附着,而且可以使附着污损脱附。综述了自清洁型海洋智能防污涂层的研究成果,介绍了智能涂层在提高海洋防污方面的特点。基于现有研究的不足,对智能涂层的响应机制和应用方面的研究进行了展望。     

新型环保海洋防污材料研究进展

简要论述了海洋防污材料的发展历史及其防污机理,评述了新型环保高性能海洋防污材料的最新研究进展。自有机锡自抛光防污涂料被禁用后,基于聚丙烯酸锌、聚丙烯酸铜和聚丙烯酸硅烷酯的无锡自抛光防污涂料得到了广泛应用。为进一步提升其防污性能和环保性能,接枝防污官能团防污材料、生物降解高分子基防污材料、主链降解型自抛光防污材料、减阻型防污材料以及仿生防污材料成为当今的研究热点。介绍了席夫碱、草甘膦、苯并异噻唑啉酮等几种防污官能团的接枝方法及其防污效果,指出这类方法可提高防污剂的利用率,使防污剂释放更平稳,但实用化还需解决防污剂接枝改性后防污能力下降以及合成工艺复杂等问题。重点介绍了生物降解高分子基防污材料,特别是主链降解-侧链水解型防污材料的结构和合成方法。由于该类可降解/水解树脂具有良好的力学性能和水解可调控性,所制备的防污涂料即使在静态下,防污剂也释放平稳,因此可用于开发新型主链降解型自抛光防污涂料,以提高涂层的静态防污长效性,具有良好的应用前景。还介绍了通过对高分子树脂改性等方法降低涂层水解后的表面粗糙度,该类防污涂层具有良好的减阻性能。最后介绍了仿生防污材料的研究进展。     

生物降解高分子基海洋防污材料的研究进展

首先总结了当前四种生态友好海洋防污材料的优缺点,并简要概述了环境友好防污剂的研究进展。接着介绍了一种新颖的防污策略——“动态表面防污”,并综述了基于这一策略发展的系列生物降解高分子基海洋防污材料的研究进展,包括生物降解聚酯-聚氨酯防污材料、改性聚酯防污材料和主链降解-侧链水解的聚酯-聚丙烯酸酯防污材料。该系列材料可通过主链酯键的断裂形成动态表面实现防污,同时降解产物为无毒的小分子,可避免造成海洋微塑料污染,复配环境友好防污剂可构筑具有优异动/静态防污能力的生态友好防污体系。最后展望了高性能防污体系未来的发展方向。     

金属表面新型绿色海洋防污功能膜层的研究进展

海洋中金属设备的生物污损会引起许多问题,如设备的额外能量消耗、高额的维护成本以及严重的金属腐蚀破坏,给海洋工程带来很大损失。在金属表面构建防污膜层是解决其海洋生物污损问题的重要途径。概括了海洋防污膜层的发展历程与金属表面环境友好型防污膜层的研究进展,并重点介绍了新型海洋防污功能膜层及其研究方向。目前,金属表面新型海洋防污膜层的开发主要集中于结构防污和功能防污2个方面。在结构防污方面,在金属表面构建仿生微纳结构,并以低表面能物质修饰,形成超疏水表面,能够显著提高其抗海洋生物附着的能力,达到绿色防污的目的;在功能防污方面,在金属表面制备具有可控释放防污抗菌剂能力的功能膜层,可以实现在环境保护前提下的高效抗菌防污,是未来研究的发展方向。层状双金属氢氧化物(LDHs)和金属–有机骨架(MOFs)材料具有合成物选择多样、微观结构独特的特点,自身具备抗菌能力或负载大量防污抗菌剂的能力,并可实现防污抗菌剂的可控释放,有望成为具有理想抗菌功能的新型海洋防污剂负载材料。     

仿生超滑表面对Al基体微生物腐蚀防护性能与机制研究

采用电化学刻蚀-表面修饰-全氟聚醚油注入三步法在模板材料纯Al表面制备了仿猪笼草超滑表面,研究了仿生超滑表面对典型腐蚀微生物-硫酸盐还原菌的附着及所致腐蚀的影响.结果表明,仿生超滑表面在静态和动态环境均可明显抑制硫酸盐还原菌的附着,这主要是由于仿生超滑表面作为一种"类液体"表面,无法为细菌的附着提供锚点.同时,全氟聚醚油可通过阻止腐蚀性介质向基体的渗入,抑制基底Al的腐蚀过程.该研究的开展可为海洋微生物腐蚀防护材料的开发提供理论依据和模型.     

防海生物污损材料研究现状

舰船长期在海洋中行驶,受到海洋生物的污损,会增加舰船航行的阻力,增加燃油消耗。本文介绍了海生物附着特点和机理以及防海生物污损材料的研究现状。低表面能涂料是当前广泛使用的防污材料,其利用自身表面能低的性质使海生物在舰船上的粘附力下降,进而达到防污损目的。超疏水材料和仿生材料在自清洁、防腐蚀等方面所展示的独特性能,已成为防污损材料领域的研究热点。在综述分析防污材料研究现状的基础上,针对存在的问题和不足,提出了防污损材料今后研究发展方向。     

含铜PVD硬质涂层的结构及其性能研究现状

表面摩擦和磨损是机械零部件失效和损伤的主要形式,影响和决定着材料的使用寿命。传统降低材料磨损的主要措施是采用液体润滑油,但在高温、真空和海水等环境下,润滑油脂无法充分发挥作用,PVD硬质耐磨减磨涂层成为减磨润滑材料发展的新成果,目前已得到广泛的研究和开发。在海洋工业领域,淤泥、海藻和细菌等海洋生物附着于舰船和海工装备表面,降低了船舶的抗摩擦性能和设备稳定性,影响船舶航行速度,增加船舶的燃料消耗,严重威胁着海洋航行安全。硬质防污涂层可以很好地应用于海洋装备零部件的保护。综述了将软质金属Cu引入物理气相沉积的硬质涂层,来拓展硬质涂层的功能,实现硬质涂层自润滑耐磨及抗菌防污性能的研究现状。重点介绍了Cu的引入对PVD硬质涂层结构、硬度、摩擦学行为和抗菌性能的影响,探讨了硬质涂层中Cu的减摩机理,阐明了Cu的抗菌机制,展望了含Cu物理气相沉积硬质涂层未来的发展方向和应用前景。     

纳米复合海洋防污涂料研究进展

海洋生物污损带来巨大的损失是亟须解决的难题。开发含纳米填料的无机-有机杂化涂料是传统防污手段的绿色替代方案,然而目前缺乏纳米复合涂料在海洋防污领域应用的系统报道。综述无机纳米材料改性聚合物涂料的研究进展,按照防污机制的不同,重点总结低表面能纳米复合防污涂料、超疏水纳米复合防污涂料、释放型纳米复合防污涂料、催化型纳米防污涂料、多因素协同纳米防污涂料的研究现状,对其防污特性进行分析,并指出各类涂层所存在的问题。最后,提出无机纳米材料在聚合物中的稳定分散、多种防污机制协同优化、无机纳米复合涂层的长效防污性能保障是纳米防污涂料在海洋防污领域所面临的难题及未来发展方向,填补了纳米复合涂料在海洋绿色防污领域应用系统报道的空白。     

碳材料在抗海洋生物污损领域中应用的研究进展

海洋生物污损一直是困扰全球海洋经济发展的重要问题之一。任何材料进入海洋环境,其表面不可避免地会遭受蛋白、多糖、细菌、海藻、软体动物等海洋生物贴附形成生物污损,不仅影响海上装备的正常运转和增加能源消耗,同时极易引起微生物腐蚀。因此,海洋抗污损新材料的开发显得极为迫切。目前碳纳米材料因具有优异的理化特性,而在海洋防腐、耐磨等工程上大量使用,其抑制海洋污损物贴附和生长的性能决定了碳材料在抗海洋生物污损领域具有广阔的应用前景。综述了石墨烯、类金刚石、金刚石、碳纳米管、富勒烯及其衍生物等典型碳纳米材料,在抗蛋白质、细菌、海藻等生物污损领域的应用现状以及抗污损机理。碳材料在海洋环境中优异的综合性能,预示其将给抗海洋生物污损新材料的开发和应用带来更多的机遇和可能。     

抗菌低表面能复合型海洋防污涂料的研究进展

海洋生物污损给海洋工程与装备带来了巨大的困难与挑战,低表面能型海洋防污涂料由于环境友好,近年来已发展成为防污涂料研究与开发的重点。通过在低表面能防污涂料中引入抗菌剂,制备具有复合功能的防污涂料,可进一步提高涂料的综合防污能力。针对该技术背景,首先对海洋防污涂料的技术原理和低表面能防污涂料的研究现状进行了简要介绍,分析了该类型防污涂料的技术优势,同时提出了其静态防污能力差、对细菌型污损生物抗污性能弱的技术短板;然后,围绕低表面能防污涂料抗菌复合改性这一焦点问题,从添加型和结构型2种抗菌复合改性方式入手,分别阐述了各自涂料的适用抗菌剂种类、主要制备方式和改性后涂料综合防污性能的相关研究成果;在此基础上,梳理了以上2类抗菌复合防污涂料存在的问题,并提出了针对性的解决途径;最后,提出了无机抗菌剂、有机抗菌剂和天然抗菌剂应用于防污涂料的未来研究方向,并对抗菌低表面能复合型海洋防污涂料的发展与应用前景进行了展望。     

电力设施生物污损腐蚀与热喷涂表面防护研究进展

海洋生物容易附着和生长于沿海电力设施装备表面,其代谢过程及产物能够引起表面金属材料的腐蚀加速、电力设施的老化破损,进而造成巨大的危害和经济损失,因此降低和抑制电力设施表面生物污损的涂层防污技术有着重要的研究与应用价值。基于热喷涂的防污涂层制备技术是防生物污损腐蚀的重要方法之一,是未来将研究工作应用于实际的重要方向。截至目前,有关电力设施装备生物腐蚀现状和热喷涂表面防护的研究进展尚未见报道,这里将对电力设施装备生物污损腐蚀现状、应用案例及热喷涂防污措施研究进展进行归纳整理,并进行系统性综述。首先介绍了不同深度近海区域电力装备生物污损和腐蚀的现状、特点,引用了近年来典型电力设备涂装防污损的技术方案和应用案例,然后依据不同的技术特点和发展趋向,对近10年来热喷涂制备的复合防污涂层研究进展进行了综述,分析其在沿海电力设施防护方面的应用前景,以期为未来电力设施防污损等研究工作起到一定指引作用。     

有机硅防污涂料的研究进展

随着海洋环保意识的提高,环境友好型防污涂料应运而生。有机硅防污涂料利用物理手段抑制生物污损,不对海洋环境造成污染,目前得到了广泛的开发和使用。然而有机硅材料自身的结构特点,导致有机硅防污涂料存在很多缺陷,需要对其进行改善。介绍了聚合物改性有机硅涂料、微纳米粉体改性有机硅涂料以及有机硅仿生复合防污涂料体系的研究进展,指出氟硅改性有机硅在保证有机硅涂料低表面能特性的同时,可提升涂料的机械性能。聚氨酯改性有机硅和丙烯酸改性有机硅,利用聚氨酯和丙烯酸树脂对基材优异的附着力,从而提升有机硅防污涂料与基材的附着力。微纳米粉体改性有机硅,最重要的特点是可以与树脂改性同时进行,从而实现双效防污的效果。应对仿生技术的发展,构建有机硅仿生复合防污涂料,通过模拟海洋生物的生物特性,实现长效持久的防污效果。最后提出未来有机硅防污涂料将向着多重改性、复合防污的方向发展。     

Ni-P-PTFE镀层表面黏液形成菌的污垢特性

目的 研究Ni-P-PTFE镀层改性换热面对微生物污垢的抑制作用.方法 调整化学镀工艺,在换热器常用的低碳钢表面制备不同性能的复合镀层,获取镀层厚度、镀速和表面能等参数.对低碳钢和Ni-P-PTFE复合镀层进行微观形貌对比,并进行黏液形成菌污垢静置实验,测量菌悬液中的细菌数量变化及试样质量变化.分析复合镀层表面在黏液形成菌污垢实验前后的宏观和微观形貌,与低碳钢试样进行对比,研究复合镀层试样表面能和镀层表面污垢沉积的关联性.结果 Ni-P-PTFE复合镀层改变了换热面的表面性能,接触角明显增大,表面能由改性前的49.16 mJ/m2降低到7.54 mJ/m2.与低碳钢的静置结果 相比,悬挂复合镀层试样的菌悬液中黏液形成菌数量显著减少,复合镀层试样表面平均污垢沉积量减少到2.3 g/m2(低碳钢表面为12.1 g/m2).结论 Ni-P-PTFE镀层可以有效抑制黏液形成菌的生长,低表面能有效减少了微生物污垢的沉积,使其表现出良好的耐蚀性和抗垢性.     

Effect of the microstructure on the properties of Ni-P deposits on heat transfer surface

In the present work Ni-P deposits with various microstructures were prepared on the low carbon steel substrate by adjusting the electroless plating processing parameters. The results of anti-fouling experiments show that Ni-P deposits can greatly inhibit the adhesion of crystallization fouling in comparison with uncoated copper, stainless steel and carbon steel surfaces. The further experiments indicated that the amount of nanocrystalline phase in the Ni-P deposit affects the surface free energy, as well as changing the anti-fouling and corrosion-resistant properties of the deposit. When the phase structure of the Ni-P deposit is almost amorphous phase, the Ni-P deposit exhibits the best anti-fouling and corrosion-resistant properties. The amorphous Ni-P deposit exhibits high corrosion resistance which is attributed to its extreme structure homogeneity without preferential corrosion paths like grain boundaries or other structural defects, and the higher corrosion resistance could ensure this deposit is not easy to form “transitional interface” connecting fouling and matrix.