高附着型有机硅涂层的构建及其生物污损防护性能的研究

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海洋生物污损增加了经济和环境负担,是全球海洋相关工业领域和产业发展的巨大阻碍。海洋微生物、动物和植物在水下设备、设施表面的不良聚集,是造成海洋生物污损的主要原因。构建防污涂层是目前保护海洋设备、设施免受生物附着与聚集的有效途径。然而,传统海洋防污涂层会释放有毒杀菌剂,对海洋环境和生态平衡造成了严重破坏。因此,迫切需要开发环境友好且经济的防污涂层。聚二甲基硅氧烷(PDMS)是一种环境友好型涂层,在海洋防污领域受到广泛的关注与应用。然而,PDMS弹性体的“不粘”特性也导致了其与基底的粘结力弱。此外,该弹性材料的污损脱离释放性能只有在水流冲刷作用下才能发挥作用,而在静态条件下的防污性能差。因此,本文以构筑高附着型和高防污型有机硅防污涂层为主要研究目标。通过简单、高效的制备方法,利用有机硅树脂分别与环氧树脂(EP)、丙烯酸树脂(AR)在固化过程中形成的网络互穿结构,制备出高稳定性、高附着力的海洋防污涂层,所有原料环保、经济。同时,通过引入天然防污剂,以增强涂层的静态防污性能。本文主要研究内容如下:1.网络互穿型复合防污涂层的制备。通过层层涂覆方法,制备了含有天然防污剂的有机硅/环氧树脂复合型防污涂层。我们选用环氧树脂(EP)作为粘结剂,与PDMS在固化过程中形成网络互穿结构,以增强PDMS材料的界面粘结性能。同时,在PDMS涂层中掺杂不同含量的天然防污剂辣椒素(CAP),利用辣椒素对污损生物的驱避作用,以提高PDMS材料的静态防污性能。拉伸试验证明EP-PDMS/CAP涂层与基底具有良好的粘结性能,其拉伸粘结强度可达到1.97 MPa。抗细菌粘附测试表明EP-PDMS/CAP涂层具有优异的海洋防污性能,静态抗微生物粘附率为80.2%,动态抗粘附率为96.6%。此外,涂层经过酸碱浸泡、热处理和物理磨损等恶劣条件处理后,仍能够保持良好的物理化学稳定性能和机械性能。通过构建网络互穿型有机硅复合防污涂层可赋予涂层优异的防污性能和粘结性能,具有极大的实际应用前景。2.有机硅/丙烯酸树脂自分层防污涂层的制备。我们通过简单的一步法构建出具有高附着性能的有机硅污损释放涂层(PDMS/AR)。将PDMS和丙烯酸树脂(AR)的共混溶液涂覆于基底表面后,在涂层固化过程中,低表面能的PDMS向涂层表面富集,有助于海洋生物污损的释放;同时,较高表面能的丙烯酸树脂向基底沉降,有助于提高与基底的附着力。而且,由于涂层的固化和分层是同步进行的,PDMS和AR在固化完成时未实现完全分离,界面间形成了更加复杂的网络互穿结构,有利于复合涂层的稳定性。拉伸试验数据表明,与单一PDMS涂层(0.41 MPa)相比,PDMS/AR涂层的拉伸粘结强度(2.00 MPa)显著提高,说明PDMS/AR自分层涂层具有优异的界面粘结性能。抗细菌粘附测试表明PDMS/AR涂层具有优异的海洋污损释放性能。此外,涂层展现了良好的物理和化学稳定性和机械稳定性。此方案不仅制备方法简单、原料经济,而且赋予有机硅涂层优异的界面粘结性能和机械稳定性能,为高效海洋防污涂层的设计提供了一种新的思路。
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