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原文传递基于谐动防污策略仿生功能表面构建及防污机制的研究

论文题名：	基于谐动防污策略仿生功能表面构建及防污机制的研究
关键词：	仿生功能表面;石墨烯复合膜;谐动防污策略;触手结构;防污机制
摘要：	海洋微生物对固壁表面黏附，形成生物污损,对舰、船及海洋设施带来极大危害，其危害可主要体现为以下三个方面：①增加船舶阻力，加大燃油消耗；②加速船舶、管道输送壳体腐蚀；③增加维修次数、提高维修成本。早期人们通过在防污涂层中加入毒性成分减少污损生物的附着，随着环保法令及规定对有毒防污剂的禁入，研究开发新型环保防污技术迫在眉睫。　　珊瑚作为一种长期生长在海洋环境中的固着型生物，其无法通过游动借助水流冲刷减少污损生物的附着，而表面却十分洁净。研究发现，珊瑚的防污策略主要包含释放天然防污成分策略、污损释放型防污表面策略、蜕皮防污策略、荧光防污策略以及“谐动”防污策略。珊瑚的弹性表皮及触手通过一定频率和振幅的弹性变形对波浪/洋流的周期性激励做出“谐动”响应，可有效防止微生物膜的形成。本文将基于花环肉质软珊瑚（Sarcophytontrocheliophorum）触手“谐动”防污策略，开展触手“谐动”防污仿生功能表面（以下可简称仿生功能表面）的设计、制备及防污机制的系统研究。　　通过花环肉质软珊瑚（以下可简称为珊瑚）的“谐动”规律生物观察试验，发现单只完整伸出的触手，高度集中在7mm-13mm之间，呈上细下粗圆锥型，分布随机且间距紧密。触手随流体介质激励，通过摆动实现“谐动”响应,形成的不稳定表面，对于靠近其表面的附着物，通过主动扫掠、弹开，防止其在表面附着。　　基于上述“谐动”防污策略，仿生功能表面设计如下：采用室温硫化硅橡胶（RTV-2）添加0.36wt%石墨烯为基料，模仿花环肉质软珊瑚弹性表面，其上构筑类珊瑚触手状圆锥形结构，顶端直径0.8mm，底端直径1mm，并在触手顶端和底端边缘处分别设有圆弧倒角，模拟珊瑚触手顶端的半圆弧状以及底端与表皮的连接。触手长度和间距设置三种参数，分别为长7mm、10mm、13mm，间距2mm、2.5mm、3mm。仿生功能表面制备如下：利用机械共混法制备RTV-2/0.36wt%基料，设计并制作仿生功能表面镜像结构的专用造型模具及固定模具，采用模板法制备出不同尺寸、不同结构的仿生功能表面。通过力学性能、失重率/吸水率、粗糙度、湿润性测试及表征发现，制备仿生功能表面的基料具有稳定的失重率/吸水率（低于1%），较低的弹性模量（约0.56MPa）和粗糙度，且呈疏水性。这些特性对其防污性能均提供有利条件。　　通过动/静态试验，对仿生功能表面和无触手结构的0.36wt%硅橡胶石墨烯复合膜（以下可简称为石墨烯复合膜）展开系统的防污性能对比试验。（1）静态试验，仿生功能表面的细菌附着量与石墨烯复合膜相差无几，说明在完全静止条件下，二者防污性能相当；（2）动态试验，选用自行设计的两种试验装备进行试验，①模拟海洋波动波浪设备——“波动式”防污试验，分析得出仿生功能表面防污效果优于石墨烯复合膜，且摆动频率越快防污效果越好，证明触手的“谐动”效应可防止细菌的粘附；同时得出触手长度、摆动频率为仿生功能表面在水流波动作用下影响防污性能的主要因素，并选出摆动频率1Hz，触手长13mm的防污最优组合。摆动频率加快可使触手的“谐动”效应充分发挥，且经观察发现较长的触手结构在水流波动作用下，其触手顶端会随水流形成二次颤动，可加倍驱赶细菌的附着。②动态旋转冲刷设备——“旋转式”防污试验，同样证明仿生功能表面防污性能优于石墨烯复合膜，并选出触手长13mm，间距2mm的仿生功能表面具有最佳防污效果。较长的触手结构在水流冲刷作用下可最大程度弯曲并叠加在后层触手表面形成防污保护层，同时触手借助水流冲刷作用发生抖动并产生“谐动”防污，较密的触手间距可填补仿生功能表面空隙，使触手“谐动”防污效应最大化。　　通过EDEM-FLUENT软件耦合仿真计算，开展“谐动”防污仿生功能表面防污机制的研究，选用触手结构（仿生功能表面）和平面结构（石墨烯复合膜）作为试验对照组。试验结果表明，触手结构的细菌附着量远低于平面结构，且同样表现出流场速度越快细菌附着量越低的现象。细菌颗粒对触手结构的沉降仅发生在触手附近区域，留给细菌颗粒沉降的时间相对较短，而平面结构则会留给细菌颗粒更大更长的沉降区域及沉降时间，试验结果证明触手结构可有效降低细菌颗粒的附着。　　本文试验结果，为开发环保型防污仿生功能表面提供新思路，并为静态船舶、水下设备、设施的防污技术提供新理念。
作者：	殷玥
专业：	农业机械化工程
导师：	田丽梅
授予学位：	博士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2021