具有柔性特质仿生自清洁水凝胶涂层的制备及其海洋防污机制研究

Marine biofouling is always a difficult problem in marine engineering. The most widely used hydrophobic and low surface energy coating only procrastinate biofilm formation, which can not solves the problem from the basis. This project prepares a biomimetic PVA hydrogel coating with a micro-nano hierarchical structure based on the physico-chemical characteristics and micro-structure of dolphin skins, and study on the mechanism of self-cleaning of the coating in aquatic environment. This project is concentrated on the following aspects: Study on the effection of species, diameter, length and implantation density of the hydrogel fibers on the micro-nano hierarchical structure dimension; Establishing internal relations between size of micro-nano hierarchical structur and super hydrophile-oleophobic performance, and Evaluation of the antifouling performance of the coating; Study on Synergistic antifouling mechanism of hydrogel fiber flexibility and super hydrophile-oleophobic performance. The project aims to reveal self-cleaning micro-mechanism of the flexible hydrogel coating, and provide experimental data and a theoretical base for developing the new antifouling coating using hydrogel.

海洋生物污损是海洋工程面临的重大难题，目前广泛应用的疏水型低表面能涂层仅能拖延污损生物膜形成的时间，不能从根本上解决生物黏附问题。本项目以海豚皮肤表面黏液层的物理化学特性和微结构为启发，利用聚乙烯醇（PVA）水凝胶纤维构建不同尺寸微纳分级结构，制备仿生水凝胶防污涂层，并对水体环境下涂层的自清洁防污机理进行基础研究。具体内容包括：研究水凝胶纤维种类、直径、长度和植入密度对涂层表面微纳分级结构尺寸的影响规律；建立水凝胶纤维表面分级结构尺寸和涂层超亲水超疏油特性二者之间的内在关系，评价不同程度疏、亲特性涂层的防污性能；探讨水凝胶纤维水膜层柔性特质和超亲水超疏油特性二重协同防污作用机理。本课题旨在揭示水体环境下柔性水凝胶涂层表面自清洁作用微观机制，为利用水凝胶材料开发新型防污涂层提供实验依据和理论基础。

海洋生物污损给船舶和海洋设施带来极大的危害，仿生防污方法因具有安全环保和高效性等优点受到广泛重视。利用水凝胶材料模拟海豚和鱼类等海洋生物皮肤表面高含水、低弹性模量（柔软）和低摩擦系数的黏液层来防止海洋生物污损，被认为是一种革命性的新方法。然而，水凝胶材料的低强度和低附着力严重制约了它的应用。本文以船舶防污材料为工程研究背景，制备了三种具有高附着力和高强度性能特点的水凝胶材料，分别为：(1)聚丙烯酸钠(PAAS)微粉/环氧树脂共混方法制备的水凝胶释放涂层；(2)利用静电植皮技术制备的聚乙烯醇（PVA）水凝胶涂层；(3) 制备PVA/PAAm水凝胶微粉和PVA/PAAm水凝胶改性涂层。并对不同类型水凝胶改性涂层防污性能进行了系统的研究,初步探讨了水体环境下水凝胶材料的防污机理。得到结论如下：.1. PAAS微粉具有理想的化学惰性，PAAS/EP复合涂层在水体环境下PAAS水凝胶不受基体影响可持续释放，形成致密的水凝胶膜层。涂层中掺量为10%时，涂层附着力与环氧涂层接近，长期浸泡基体完整，无开裂现象，可满足工程使用要求。.2. PAAS水凝胶释放型涂层油污清除和自修复自更新效果明显，在流动水体环境下具有显著的自清洁能力。PAAS水凝胶释放型涂层表面实验室培养小新月菱形藻和梯楔舟形藻粘附量相对较低。实海挂板实验3个月，粘附生物量较少，仅有少量东方小藤壶粘附。研究结果表明，PAAS水凝胶释放型涂层具有较好的防污性能。.3. PVA/CNT复合涂层具有微纳分级结构，CNT像毛刺长在复合水凝胶团簇表面，形成较好的纳米级二级结构。 PVA/CNT复合水凝胶涂层具有良好的抗微藻黏附性能和自清洁能力，是理想的水体环境中的防污材料。.4. PVA/CNT混合水凝胶改性微纳分级绒毛涂层的防污机理可解释为：涂层表面亲水疏油特性和微纳分级结构二元协同作用使涂层表面具有自清洁能力，海洋微型生物难黏附易脱附，防污性能得到提高。.5.水凝胶材料具有良好的防污性能，水凝胶对抗贻贝类的粘附作用和防污效果明显，因此水凝胶在海洋防污领域中具有广阔的应用前景。