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原文传递海洋污损生物惰性附着材料的设计与构筑

论文题名：	海洋污损生物惰性附着材料的设计与构筑
关键词：	海洋污损;生物惰性附着材料;参数耦合;动态脱除;静态抑制
摘要：	本论文针对现有海洋防污涂层中的重金属防污剂对海洋生态环境会造成较为严重破坏，迫切需要发展对环境友好防污材料与技术的背景，开展了利用生物在附着过程中对材料自主选择性行为以及降低生物体与材料间作用力进行防污的生物惰性附着材料研究。论文从材料物理、化学及结构特性对生物附着的影响规律和机制探讨出发，提出了利用控制材料自身特性参数设计生物惰性附着材料的构建方法，并建立了关键特性参数耦合材料的制备和实现方法。研究结果为对环境友好防污材料的发展奠定了较好的基础。主要研究结果如下：　　（1）材料的表面能对不同生物的附着行为影响规律不同：硅藻在材料表面的附着强度会随着材料表面能的降低而增大；石莼孢子在材料表面的附着强度会随着材料表面能的降低而减小。表面能的作用机制主要体现在对生物体分泌的粘液在材料表面的铺展面积的影响，不同生物的分泌粘液性质不尽相同，因此对于多种生物共存的污损生物群落来讲，单一依靠表面能进行防污是不可能的。　　（2）材料的弹性模量对不同生物的附着行为影响规律相同：硅藻、石莼孢子的静态附着不受材料弹性模量的影响；但两种生物的动态脱附情况受材料的弹性模量影响显著，脱附率都会随着材料弹性模量的降低而增加，并且脱附率与有机硅材料弹性模量的1/2次方成线性关系。其作用机制主要是较低的弹性模量会使得材料表面更容易产生变形，形成横向收缩，从而进一步降低生物体的附着面积，并形成水流冲刷作用应力集中点，显著降低生物体脱附所需的临界作用力，提高脱附率。　　（3）材料表面修饰的双电性离子分子的不同参数对生物附着行为具有不同影响规律：修饰分子的堆积密度对生物的静态附着及动态脱除情况均无显著性影响；修饰分子的链段长度对生物的静态附着及动态脱除性能均影响显著，随着链段长度的增加，生物的静态附着数量减少，脱除率呈现先降低后大幅增加的趋势。其作用机制是相对于PDMS，修饰分子使得水分子与PDMS材料表面形成水化层的能垒降低，而水分子脱离表面的能垒变高，从而形成了较为稳定的水膜，起到了对附着生物的屏障作用，同时修饰分子的链段空间位阻作用也是影响生物附着的因素之一。　　（4）材料表面的微结构特征对生物附着具有显著的影响：微结构的结构形态、尺寸、间距、高度等都对生物附着行为具有影响。论文中通过研究，建立了可以涵盖上述各因素的结构特征表征参数TPW。对硅藻在微结构表面的附着行为研究结果表明，对硅藻附着的抑制率Y％与TPW值间符合对数关系Y%=（60.92-14.6ln(TPW)）×100%。随着TPW值的增加，对硅藻附着的抑制率减少，而TPW值越小，对硅藻附着的抑制率越大。其作用机制是微结构影响到污损生物及其分泌的粘液与材料间的接触面积。TPW越小，附着面积越小，污损生物在材料表面的附着力也会越小，从而生物难于附着且更容易脱附。　　（5）形成了利用材料自身特性参数耦合进行生物惰性附着材料设计的依据：通过探讨不同材料特性参数之间对生物附着行为的协同效应，发现物理、化学和结构特性协同对硅藻生物附着的静态抑制率和动态脱除率之间的关系分别如下：抑制率Y%=（81.5-9.40TPW-0.266E+0.0138n）×100%，脱附率T%=（82.3-4.60TPW-14.1E1/2+0.0614n）×100%，其中TPW为结构特征参数，E为弹性模量，n为所修饰双电性离子分子的链段长度；据此可以依据所需要的抑制率和脱除率应用性能指标来构建材料的不同特性参数，提出相应参数的可设计范围。　　（6）建立了多特性参数耦合的生物惰性附着材料制备方法：通过分子自组装－粒子溶蚀相结合的方法建立了对材料表面微结构特征参数TPW进行有效调控的化学技术途径；在此基础上，探讨了弹性模量E、修饰双离子性分子的链段长度n、结构特征参数TPW三因素协同的多特性参数耦合的材料制备方法。对制备材料的测试结果表明，材料的各特性参数基本得到了有效控制，设计材料的污损生物附着静态抑制率和动态脱除率也基本与设计性能指标一致，二者的测量值与设计值间偏差分别为0.5%和1.3%。
作者：	蔺存国
专业：	海洋化学工程与技术
导师：	于良民
授予学位：	博士
授予学位单位：	中国海洋大学
学位年度：	2013
正文语种：	中文