海洋生物在舰船和潜艇表面的附着不仅造成表面腐蚀, 还会增加航行阻力、降低船速、增大能耗, 严重影响战斗力. 调查结果显示, 受生物污损船只的船速平均下降5%的占80%以上, 最严重的船速下降可达25%. 舰船表面的海生物污损率为5%时, 摩擦系数增加50%, 燃料消耗增加40%~50%[1 ,2 ] . 为了解决船舶底部表面海生物附着问题, 各种防污技术应运而生, 如水下机械清洗、电解海水产生次氯酸、电化学方法释放铜离子以及涂装防污涂料等. 其中以涂装防污涂料最为有效、经济、便捷. 但同时各种防污毒剂也给海洋环境带来了严重污染[3 ,4 ] . 新型无污染的环保型抗附着方法的研究迫在眉睫.
污损海生物在船体表面上的附着, 首先是分泌黏液对船体表面进行润湿, 然后通过化学键合、静电作用及扩散作用中的一种或几种机理进行黏附[5 ] . 如果表面具有较低的表面能(即较大的接触角), 将使污损海生物与涂层的表面润湿性差, 从而难以附着或附着不牢. 自然界中的生物体表面特殊的界面效应赋予了生物体特殊的功能和特性, 使得生物体在自然界中得以完美的生存. 从材料学的角度再现生物体表面特殊的界面效应, 可以实现提高船体表面抗海洋生物附着的目的. 江雷[6 ] 研究发现, 水滴在荷叶表面接触角可达161°, 倾斜2°(滚动角2°), 水滴即可在表面滚动, 将附着在叶面上的灰尘等污染物带走, 从而使表面保持清洁. 荷叶表面的微/纳米多级结构和低表面能的蜡质物使其具有超疏水和自清洁功能. 海洋中的速度之王鲨鱼终日生活在海水中,但是其皮肤表面却不附着任何的海生物. 鲨鱼的皮肤表面布满了微米级肋条状真皮组织, 其上还覆有纳米级刺状突起或刚毛[7 ] , 呈现出疏水特性, 使植物孢子很难附着在上面, 海藻或其他植物无法在其表面上生长. 荷叶和鲨鱼皮表面的特殊界面效应为人类提供了完美的抗附着自清洁模板[8 -10 ] .
表面超疏水性一般是由表面化学组成和表面形貌共同引起的, 但表面形貌对超疏水[11 ,12 ] 和抗附着[13 ] 性能的影响更为重要. 在接触角仅为75°的有机Si材料表面构建纳米级微结构, 形成接触角达169°的超疏水表面, 发现微结构可以有效控制细菌、藤壶等生物的附着[14 ] . Bechert等[15 ] 也对比了光滑表面与具有微米级粗糙结构的表面的抗附着效果, 在相同条件下, 具有微结构的粗糙表面抗附着性能明显优于光滑表面. 陈美玲等[16 ] 以有机Si改性丙烯酸树脂作为主要成膜物质, 通过添加颜填料、纳米SiO2 和其它助剂, 制备出表面具有微纳米阶层结构的超疏水涂膜, 提高了涂料的抗附着性能. 研究[17 ] 表明, 要阻止海洋生物的早期附着, 应使表面特征达到纳米级, 并具有微米级波纹.
制备合适的微纳米级粗糙结构的方法是获得超疏水表面的关键环节. 目前, 已有多种方法可以制备出金属基底超疏水表面, 如阳极氧化法[18 ] 、化学刻蚀法[19 ,20 ] 、物理化学气相沉积法[21 ] 、模板法[22 ] 、激光刻蚀法[23 ] 等. 但以大面积的船板材料为基底制备具有规则微结构的疏水/超疏水表面的方法尚未见报道. 在系统研究界面效应(表面形貌和表面润湿性)对船板抗附着性能的影响方面还很匮乏. 本工作采用激光刻蚀的方法在舰船尤其是潜艇上应用相当广泛的钛合金表面分别构筑点阵、直线、网格3种规则微结构, 通过低表面能修饰得到具有微结构的疏水/超疏水表面. 采用溶胶-凝胶法将SiO2 纳米粒子涂覆在经激光刻蚀的钛合金表面, 制备具有微纳米结构的超疏水表面. 利用小球藻附着面积评价上述表面的抗附着性能. 利用动态冲刷实验评价小球藻的附着强度. 探讨界面效应对表面抗附着性能的影响. 由于激光刻蚀技术可以在大气环境下进行且对环境无污染,可控制微结构的尺寸和形貌, 适用于大面积的舰船表面. 同时溶胶-凝胶法易于大面积涂覆SiO2 . 因此本研究有望为提高舰船、潜艇等海洋设施表面的抗附着性能提供新的方法和技术支持.
1 实验方法
1.1 超疏水表面制备
实验采用厚度1.5 mm的Ti6Al4V板材, 具体成分(质量分数, %)为: Ti 88.1~90.4, Al 5.5~6.8, V 3.5~4.5, 其它0.8~2.9. 利用线切割机将Ti6Al4V板材切割成10 mm×10 mm的试样, 对试样进行精磨和抛光处理. 利用HGL-LSY50F激光打标机在试样表面分别刻蚀点阵、直线和网格 (夹角90°) 3种微结构, 间距从50 μm至500 μm, 间隔50 μm. 将配制的环氧树脂溶液(向50 mL丙酮中分别滴加5 mL双酚A环氧树脂和1 mL聚酰胺树脂并搅拌均匀, 随后滴加0.1 mL促进剂(2,4,6-二甲硫基-3-甲基对苯二胺, 浓度为95%))旋涂于具有微结构的试样表面, 并于室温下风干30 min. 将涂有环氧树脂溶液的试样浸涂0.33 mol/L的SiO2 分散液(将1 g平均粒径为20 nm的SiO2 溶解在100 mL的无水乙醇中, 并滴加0.5 mL a -氨丙基甲基二乙氧基硅烷(偶联剂, 浓度为97%), 超声分散3 h), 并置于干燥箱中5 h, 干燥箱温度为100 ℃. 取出试样并浸涂低表面能溶液(将0. 5 mL的1H, 1H, 2H, 2H-全氟烃基三乙氧基硅烷溶于100 mL无水乙醇中并搅拌均匀), 再置于干燥箱中5 h, 干燥箱温度为100 ℃.
1.2 试样的表征
采用LEXT OLS4000 3D激光共焦显微镜进行试样表面三维形貌的表征. 采用Easy-Drop型接触角测量仪, 以2 μL去离子水测量接触角, 以5 μL去离子水测量滚动角. 具体方法是将试样放平并在表面滴5 μL水滴, 然后向试样一侧的底部逐片插入塞规片, 直至试样表面水滴滚落为止. 记录塞规片厚度, 已知试样长为10 mm, 可以计算出水滴滚落时试样倾斜的角度, 此即该试样的滚动角. 采用SUPRA 55 SAPPHIRE场发射扫描电子显微镜(FESEM)进行涂覆纳米SiO2 后抛光试样表面形貌表征, 并使用其自带的能谱仪(EDS)进行表面成分分析.
1.3 试样的抗附着性能
小球藻藻液与培养用水的比例为1∶1, 当小球藻的培养液变成绿色, 用TE2000荧光显微镜观察1 mL培养液中大约有100个小球藻时, 将试样放入小球藻液中, 15 d后取出, 使用LEXT OLS4000 3D激光共焦显微镜拍照. 将附着了小球藻的试样固定在搅拌器上, 将搅拌器浸入水中. 由电机带动搅拌器转动, 记录小球藻被冲刷干净所需要的时间. 所需时间越长, 说明小球藻的附着强度越大.
图1 间距为150和450 μm的3种激光刻蚀试样的三维形貌
Fig.1 3D morphologies of laser etching specimens for dot (a, b), line (c, d) and grid (e, f) with spaces of 150 μm (a, c, e) and 450 μm (b, d, f)
2 实验结果与讨论
2.1 表面形貌
图1分别示出了间距为150和450 μm的3种微结构的表面形貌. 图2为不同间距激光刻蚀3种微结构的最大高度. 可见, 点阵微结构的最大高度最小, 直线居中, 网格微结构的最大高度最大. 分析认为, 点阵微结构是通过激光单点刻蚀形成, 致使基底被熔化成圆台形凹坑; 而直线和网格微结构是通过激光连续扫描刻蚀形成, 更多的飞溅出的熔融物相互堆积而形成高于表面的凸起. 特别是网格微结构是通过激光在呈90°夹角的两个方向扫描刻蚀两次形成的, 因此网格微结构高度最大. 图3a为涂覆纳米SiO2 后抛光试样表面的FESEM像. 可以看出, 试样表面呈疏松多孔的结构. EDS分析(图3b)显示出明显的Si和O元素峰, 证明在试样表面已覆盖了SiO2 .
图2 不同间距激光刻蚀3种试样微结构的最大高度
Fig.2 Maximum altitudes of the laser etching specimens for dot, line and grid with different spaces
图3 抛光试样表面涂层的FESEM像及其EDS分析
Fig.3 FESEM image (a) and corresponding EDS analysis (rectangle in Fig.3a) (b) of coating on polish specimen
2.2 表面接触角和滚动角
试样的表面接触角和滚动角如图4a和b所示. 由图4a可以看出, 未涂覆SiO2 分散液的试样表面的接触角明显小于涂覆SiO2 分散液的试样, 且随间距的增大, 试样表面的接触角均减小. 对于同样间距, 网格表面的接触角最大, 其次是直线, 点阵表面的接触角最小. 未涂覆SiO2 分散液的试样表面的滚动角很大, 将试样竖直成90°甚至翻转180°, 液滴都不滚落. 而涂覆SiO2 分散液试样的滚动角很小, 如图4b所示. 其中, 直线表面的滚动角具有各向异性, 当水滴沿平行于、垂直于和倾斜于直线微结构方向滚动时, 其滚动角截然不同. 本实验是以水滴沿垂直于直线微结构方向滚动时的角度作为滚动角. 由图4b可以看出, 随间距的增大, 试样表面的滚动角均增大. 对于同样间距, 网格表面的滚动角最小, 其次是直线, 点阵表面的滚动角最大. 说明网格试样表面超疏水自清洁性能最强, 其次是直线, 再次是点阵.
分析认为, 表面经过激光刻蚀形成的微结构减小了水滴与试样表面的接触面积, 使得接触角增大. 但由于只具有单一的微米级结构, 表面凹坑或沟槽间的距离较大, 液体渗入到表面粗糙结构中, 符合Wenzel[24 ] 模型. 以q w 表示Wenzel模式下的表征接触角; q e 表示固有接触角; r表示粗糙度因子, 即粗糙表面的实际接触面积与表观固/液接触面积之比, 则q w 可由下式计算[24 ] :
图4 是否涂覆SiO2 分散液试样的接触角和滚动角
Fig.4 Contact angles of specimens with and without SiO2 (a) and roll angles of specimens with SiO2 (b)
经测量, 抛光Ti6Al4V表面的接触角为56.8°, 经低表面能修饰后的接触角为107.9°, 即q e =107.9°. 随激光刻蚀间距的增大, 表面最大高度减小(图2), 即r减小, 因此接触角逐渐减小. 同时, 由于表面符合Wenzel模型的湿接触状态, 液体渗入到表面粗糙结构中, 形成连续的三相接触线而具有较大的黏滞力, 水滴以浸润模式接触表面, 就像是被“钉”在表面上, 因此即使将表面竖直甚至翻转, 液滴都不会滚落.
在激光刻蚀Ti6Al4V表面涂覆SiO2 分散液后, 形成了具有微纳双层结构的表面, 大量SiO2 粒子产生的纳米级凸起结构使液滴与Ti6Al4V表面的接触面积最小化, 液滴不易侵入表面结构而截留空气产生气膜, 符合Cassie[25 ] 模型. 如果以q c 表示Cassie模式下的接触角, f s 表示液滴与固体的接触面积占复合界面的面积分数, 则q c 与q e 的关系如下[25 ] :
随激光刻蚀间距的增大, 液滴与固体的接触面积增大, f s 增大, 因此接触角减小. 由于液滴与固体表面发生不连续接触导致黏滞力很小, 因此产生较小的滚动角. 随着间距的增大, 接触角减小, 固/液接触范围增大, 后接触线变长, 不利于液滴的滚动[20 ] , 因此滚动角增大. 分析认为, 点阵微结构表面形成凹槽结构模型(图1a和b), 即固体基底内形成许多封闭的凹坑, 这些凹坑是独立的, 随着基底上液滴液面的下降, 增加了凹坑内气体压强, 直到达到力的平衡[26 ] . 而直线和网格微结构表面形成凸起结构模型(图1c~f ), 表面各凸起间的大气是相连通的, 由于固、液、气之间界面张力的共同作用而引起空气捕获[27 ] . 已有研究[28 ] 表明, 凹槽结构模型的接触角小于凸起结构模型. 同时, 由于网格微结构表面高度大于直线微结构, 因此更容易形成空气捕获, 因而形成最大的接触角. 可见, 微米级结构决定了表面具有大的接触角, 但纳米级结构却影响着液滴在试样表面的动态性能. 微纳结构可以显著地减小表面的滚动角, 这对提高舰船船体表面的自清洁性能很有意义.
2.3 抗附着性能
沉浸实验主要考察的是海中微生物对试样表面的粘附状况. 生物污损过程大致分为4个阶段: 第1个阶段是可溶性有机碳(dissolved organic carbon, DOC)在材料表面吸附形成条件膜; 第2个阶段是细菌等原核微生物的附着和生物膜(biofilm)的形成; 第3个阶段是真菌、藻类等生物的附着; 最后是大型污损生物藤壶、牡蛎、贻贝等的附着. 研究结果[29 ] 表明, 生物污损发展的前一阶段对后续阶段生物的附着有重要影响. 如果藻类的附着能够被阻止和抑制, 则后期大型污损生物的附着将被阻止和抑制. 由于在海洋生态系统中藻类植物的垂直分布为:水的上层多为绿藻, 中层多为褐藻, 下层多为红藻. 考虑到舰船的吃水深度, 选择绿藻, 又称小球藻作为本实验所用的藻种. 小球藻对盐度的适应能力较强, 尤其是海水中对盐度的适应能力更强, 在河口、港湾处半咸水中都可生存. 小球藻的附着能力强且易于实验观察. 小球藻在海洋生物中处于生物链的最底端, 为其他大型污损生物藤壶、牡蛎、贻贝等的附着提供营养. 实验室培养不仅周期短, 而且培养的小球藻繁殖力强, 活力旺盛, 附着能力强, 可以大大缩短实验所需的时间.
图5 间距为450 μm的各种试样的沉浸照片
Fig.5 Immersion pictures of specimens with space 450 μm
将上述具有不同形貌和间距微结构的试样置于培养好的小球藻液中, 15 d后取出. 图5为间距450 μm试样的小球藻附着照片(图中箭头所指为附着的小球藻, 由于小球藻附着零散, 无法将其全部标示出). 涂覆SiO2 分散液的试样表面附着的小球藻比未涂覆SiO2 分散液的试样少, 且点阵表面附着的小球藻最多, 其次是直线, 网格表面附着的小球藻最少. 观察还发现, 小球藻主要附着在试样表面, 点阵微结构表面的圆形凹坑中仅有零星小球藻附着, 直线和网格表面的沟槽中几乎没有小球藻附着. 分析认为, 同样间距条件下, 由于点阵表面的最大高度明显小于直线和网格表面 (图2), 即点阵表面的凹坑的深度很浅, 使小球藻得以附着, 而直线和网格表面较深的沟槽不利于小球藻的附着.
基于Photoshop软件, 采用图像处理的方法对激光共焦显微镜下试样表面的形貌进行分色处理, 计算试样表面小球藻附着的面积, 得到各种试样的小球藻附着面积占试样分析区域面积(约为6.66 mm2 )的百分比, 结果如图6所示. 小球藻在各种表面的附着面积由多至少的顺序为: 点阵>直线>网格>点阵(涂覆SiO2 )>直线(涂覆SiO2 )>网格(涂覆SiO2 ). 微观结构尺度越小, 越不利于小球藻的附着. 增大微结构的高宽比能显著降低小球藻的附着量. 相比符合Wenzel模型的疏水/超疏水表面, 符合Cassie模型的具有微纳米双层结构的超疏水表面具有更强的抗附着性能. 这是由于, 微纳米结构最小化了液滴与试样表面的接触面积, 减弱了试样表面和小球藻的黏附. 同时, 符合Cassie模型的超疏水表面所截留的空气阻止或延缓了小球藻的附着, 从而使表面具有更强的抗附着效果.
图6 试样的附着面积
Fig.6 Areas of adhesion of specimens
将试样固定在置于水槽中的搅拌器上, 搅拌器半径R为110 mm, 电机转速n设定为350 r/min, 试样表面的线速度v可由下式计算:
试样表面与水之间的相对运动速度约为4.03 m/s, 约相当于船速的8节(1节=0.51 m/s). 其中具有直线表面的试样放置成使水流方向与直线微结构垂直的方向(与滚动角测量方向一致). 记录试样表面的小球藻被冲刷干净所需要的时间, 如图7所示. 时间越长, 说明小球藻的附着强度越大. 由图7可以看出, 小球藻在各种表面的附着强度由强至弱的顺序为: 点阵>直线>网格>点阵(涂覆SiO2 )>直线(涂覆SiO2 )>网格(涂覆SiO2 ). 这说明相比符合Wenzel模型的超疏水表面, 小球藻在符合Cassie模型的超疏水表面的附着强度更小. 这是由于低滚动角有助于液滴将附着在表面的小球藻带走, 产生自清洁效应. 表面的超疏水自清洁性能越强, 其小球藻的附着强度越小.
图7 试样的小球藻脱落时间
Fig.7 Fall all times of chlorella of specimens
3 结论
(1) 利用激光刻蚀制备出具有单一微结构的符合Wenzel模型的疏水/超疏水钛合金表面; 采用溶胶-凝胶法将SiO2 纳米粒子涂覆在经激光刻蚀的表面, 制备出具有微纳结构的符合Cassie模型的超疏水表面.
(2) 符合Cassie模型的表面的超疏水自清洁性能优于符合Wenzel模型的.
(3) 网格微结构表面的接触角最大, 滚动角最小, 其次是直线, 再次是点阵; 随着微结构间距的增大, 接触角减小, 滚动角增大.
(4) 微结构的高宽比越大, 越不利于小球藻的附着.
(5) 表面的超疏水自清洁性能越强, 小球藻的附着面积越小, 附着强度越低.
参考文献
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2003
... 污损海生物在船体表面上的附着, 首先是分泌黏液对船体表面进行润湿, 然后通过化学键合、静电作用及扩散作用中的一种或几种机理进行黏附[5 ] . 如果表面具有较低的表面能(即较大的接触角), 将使污损海生物与涂层的表面润湿性差, 从而难以附着或附着不牢. 自然界中的生物体表面特殊的界面效应赋予了生物体特殊的功能和特性, 使得生物体在自然界中得以完美的生存. 从材料学的角度再现生物体表面特殊的界面效应, 可以实现提高船体表面抗海洋生物附着的目的. 江雷[6 ] 研究发现, 水滴在荷叶表面接触角可达161°, 倾斜2°(滚动角2°), 水滴即可在表面滚动, 将附着在叶面上的灰尘等污染物带走, 从而使表面保持清洁. 荷叶表面的微/纳米多级结构和低表面能的蜡质物使其具有超疏水和自清洁功能. 海洋中的速度之王鲨鱼终日生活在海水中,但是其皮肤表面却不附着任何的海生物. 鲨鱼的皮肤表面布满了微米级肋条状真皮组织, 其上还覆有纳米级刺状突起或刚毛[7 ] , 呈现出疏水特性, 使植物孢子很难附着在上面, 海藻或其他植物无法在其表面上生长. 荷叶和鲨鱼皮表面的特殊界面效应为人类提供了完美的抗附着自清洁模板[8 -10 ] . ...
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2003
... 污损海生物在船体表面上的附着, 首先是分泌黏液对船体表面进行润湿, 然后通过化学键合、静电作用及扩散作用中的一种或几种机理进行黏附[5 ] . 如果表面具有较低的表面能(即较大的接触角), 将使污损海生物与涂层的表面润湿性差, 从而难以附着或附着不牢. 自然界中的生物体表面特殊的界面效应赋予了生物体特殊的功能和特性, 使得生物体在自然界中得以完美的生存. 从材料学的角度再现生物体表面特殊的界面效应, 可以实现提高船体表面抗海洋生物附着的目的. 江雷[6 ] 研究发现, 水滴在荷叶表面接触角可达161°, 倾斜2°(滚动角2°), 水滴即可在表面滚动, 将附着在叶面上的灰尘等污染物带走, 从而使表面保持清洁. 荷叶表面的微/纳米多级结构和低表面能的蜡质物使其具有超疏水和自清洁功能. 海洋中的速度之王鲨鱼终日生活在海水中,但是其皮肤表面却不附着任何的海生物. 鲨鱼的皮肤表面布满了微米级肋条状真皮组织, 其上还覆有纳米级刺状突起或刚毛[7 ] , 呈现出疏水特性, 使植物孢子很难附着在上面, 海藻或其他植物无法在其表面上生长. 荷叶和鲨鱼皮表面的特殊界面效应为人类提供了完美的抗附着自清洁模板[8 -10 ] . ...
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2007
... 污损海生物在船体表面上的附着, 首先是分泌黏液对船体表面进行润湿, 然后通过化学键合、静电作用及扩散作用中的一种或几种机理进行黏附[5 ] . 如果表面具有较低的表面能(即较大的接触角), 将使污损海生物与涂层的表面润湿性差, 从而难以附着或附着不牢. 自然界中的生物体表面特殊的界面效应赋予了生物体特殊的功能和特性, 使得生物体在自然界中得以完美的生存. 从材料学的角度再现生物体表面特殊的界面效应, 可以实现提高船体表面抗海洋生物附着的目的. 江雷[6 ] 研究发现, 水滴在荷叶表面接触角可达161°, 倾斜2°(滚动角2°), 水滴即可在表面滚动, 将附着在叶面上的灰尘等污染物带走, 从而使表面保持清洁. 荷叶表面的微/纳米多级结构和低表面能的蜡质物使其具有超疏水和自清洁功能. 海洋中的速度之王鲨鱼终日生活在海水中,但是其皮肤表面却不附着任何的海生物. 鲨鱼的皮肤表面布满了微米级肋条状真皮组织, 其上还覆有纳米级刺状突起或刚毛[7 ] , 呈现出疏水特性, 使植物孢子很难附着在上面, 海藻或其他植物无法在其表面上生长. 荷叶和鲨鱼皮表面的特殊界面效应为人类提供了完美的抗附着自清洁模板[8 -10 ] . ...
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2008
... 污损海生物在船体表面上的附着, 首先是分泌黏液对船体表面进行润湿, 然后通过化学键合、静电作用及扩散作用中的一种或几种机理进行黏附[5 ] . 如果表面具有较低的表面能(即较大的接触角), 将使污损海生物与涂层的表面润湿性差, 从而难以附着或附着不牢. 自然界中的生物体表面特殊的界面效应赋予了生物体特殊的功能和特性, 使得生物体在自然界中得以完美的生存. 从材料学的角度再现生物体表面特殊的界面效应, 可以实现提高船体表面抗海洋生物附着的目的. 江雷[6 ] 研究发现, 水滴在荷叶表面接触角可达161°, 倾斜2°(滚动角2°), 水滴即可在表面滚动, 将附着在叶面上的灰尘等污染物带走, 从而使表面保持清洁. 荷叶表面的微/纳米多级结构和低表面能的蜡质物使其具有超疏水和自清洁功能. 海洋中的速度之王鲨鱼终日生活在海水中,但是其皮肤表面却不附着任何的海生物. 鲨鱼的皮肤表面布满了微米级肋条状真皮组织, 其上还覆有纳米级刺状突起或刚毛[7 ] , 呈现出疏水特性, 使植物孢子很难附着在上面, 海藻或其他植物无法在其表面上生长. 荷叶和鲨鱼皮表面的特殊界面效应为人类提供了完美的抗附着自清洁模板[8 -10 ] . ...
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2008
... 污损海生物在船体表面上的附着, 首先是分泌黏液对船体表面进行润湿, 然后通过化学键合、静电作用及扩散作用中的一种或几种机理进行黏附[5 ] . 如果表面具有较低的表面能(即较大的接触角), 将使污损海生物与涂层的表面润湿性差, 从而难以附着或附着不牢. 自然界中的生物体表面特殊的界面效应赋予了生物体特殊的功能和特性, 使得生物体在自然界中得以完美的生存. 从材料学的角度再现生物体表面特殊的界面效应, 可以实现提高船体表面抗海洋生物附着的目的. 江雷[6 ] 研究发现, 水滴在荷叶表面接触角可达161°, 倾斜2°(滚动角2°), 水滴即可在表面滚动, 将附着在叶面上的灰尘等污染物带走, 从而使表面保持清洁. 荷叶表面的微/纳米多级结构和低表面能的蜡质物使其具有超疏水和自清洁功能. 海洋中的速度之王鲨鱼终日生活在海水中,但是其皮肤表面却不附着任何的海生物. 鲨鱼的皮肤表面布满了微米级肋条状真皮组织, 其上还覆有纳米级刺状突起或刚毛[7 ] , 呈现出疏水特性, 使植物孢子很难附着在上面, 海藻或其他植物无法在其表面上生长. 荷叶和鲨鱼皮表面的特殊界面效应为人类提供了完美的抗附着自清洁模板[8 -10 ] . ...
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2012
... 污损海生物在船体表面上的附着, 首先是分泌黏液对船体表面进行润湿, 然后通过化学键合、静电作用及扩散作用中的一种或几种机理进行黏附[5 ] . 如果表面具有较低的表面能(即较大的接触角), 将使污损海生物与涂层的表面润湿性差, 从而难以附着或附着不牢. 自然界中的生物体表面特殊的界面效应赋予了生物体特殊的功能和特性, 使得生物体在自然界中得以完美的生存. 从材料学的角度再现生物体表面特殊的界面效应, 可以实现提高船体表面抗海洋生物附着的目的. 江雷[6 ] 研究发现, 水滴在荷叶表面接触角可达161°, 倾斜2°(滚动角2°), 水滴即可在表面滚动, 将附着在叶面上的灰尘等污染物带走, 从而使表面保持清洁. 荷叶表面的微/纳米多级结构和低表面能的蜡质物使其具有超疏水和自清洁功能. 海洋中的速度之王鲨鱼终日生活在海水中,但是其皮肤表面却不附着任何的海生物. 鲨鱼的皮肤表面布满了微米级肋条状真皮组织, 其上还覆有纳米级刺状突起或刚毛[7 ] , 呈现出疏水特性, 使植物孢子很难附着在上面, 海藻或其他植物无法在其表面上生长. 荷叶和鲨鱼皮表面的特殊界面效应为人类提供了完美的抗附着自清洁模板[8 -10 ] . ...
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2007
... 表面超疏水性一般是由表面化学组成和表面形貌共同引起的, 但表面形貌对超疏水[11 ,12 ] 和抗附着[13 ] 性能的影响更为重要. 在接触角仅为75°的有机Si材料表面构建纳米级微结构, 形成接触角达169°的超疏水表面, 发现微结构可以有效控制细菌、藤壶等生物的附着[14 ] . Bechert等[15 ] 也对比了光滑表面与具有微米级粗糙结构的表面的抗附着效果, 在相同条件下, 具有微结构的粗糙表面抗附着性能明显优于光滑表面. 陈美玲等[16 ] 以有机Si改性丙烯酸树脂作为主要成膜物质, 通过添加颜填料、纳米SiO2 和其它助剂, 制备出表面具有微纳米阶层结构的超疏水涂膜, 提高了涂料的抗附着性能. 研究[17 ] 表明, 要阻止海洋生物的早期附着, 应使表面特征达到纳米级, 并具有微米级波纹. ...
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2009
... 表面超疏水性一般是由表面化学组成和表面形貌共同引起的, 但表面形貌对超疏水[11 ,12 ] 和抗附着[13 ] 性能的影响更为重要. 在接触角仅为75°的有机Si材料表面构建纳米级微结构, 形成接触角达169°的超疏水表面, 发现微结构可以有效控制细菌、藤壶等生物的附着[14 ] . Bechert等[15 ] 也对比了光滑表面与具有微米级粗糙结构的表面的抗附着效果, 在相同条件下, 具有微结构的粗糙表面抗附着性能明显优于光滑表面. 陈美玲等[16 ] 以有机Si改性丙烯酸树脂作为主要成膜物质, 通过添加颜填料、纳米SiO2 和其它助剂, 制备出表面具有微纳米阶层结构的超疏水涂膜, 提高了涂料的抗附着性能. 研究[17 ] 表明, 要阻止海洋生物的早期附着, 应使表面特征达到纳米级, 并具有微米级波纹. ...
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2008
... 表面超疏水性一般是由表面化学组成和表面形貌共同引起的, 但表面形貌对超疏水[11 ,12 ] 和抗附着[13 ] 性能的影响更为重要. 在接触角仅为75°的有机Si材料表面构建纳米级微结构, 形成接触角达169°的超疏水表面, 发现微结构可以有效控制细菌、藤壶等生物的附着[14 ] . Bechert等[15 ] 也对比了光滑表面与具有微米级粗糙结构的表面的抗附着效果, 在相同条件下, 具有微结构的粗糙表面抗附着性能明显优于光滑表面. 陈美玲等[16 ] 以有机Si改性丙烯酸树脂作为主要成膜物质, 通过添加颜填料、纳米SiO2 和其它助剂, 制备出表面具有微纳米阶层结构的超疏水涂膜, 提高了涂料的抗附着性能. 研究[17 ] 表明, 要阻止海洋生物的早期附着, 应使表面特征达到纳米级, 并具有微米级波纹. ...
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2005
... 表面超疏水性一般是由表面化学组成和表面形貌共同引起的, 但表面形貌对超疏水[11 ,12 ] 和抗附着[13 ] 性能的影响更为重要. 在接触角仅为75°的有机Si材料表面构建纳米级微结构, 形成接触角达169°的超疏水表面, 发现微结构可以有效控制细菌、藤壶等生物的附着[14 ] . Bechert等[15 ] 也对比了光滑表面与具有微米级粗糙结构的表面的抗附着效果, 在相同条件下, 具有微结构的粗糙表面抗附着性能明显优于光滑表面. 陈美玲等[16 ] 以有机Si改性丙烯酸树脂作为主要成膜物质, 通过添加颜填料、纳米SiO2 和其它助剂, 制备出表面具有微纳米阶层结构的超疏水涂膜, 提高了涂料的抗附着性能. 研究[17 ] 表明, 要阻止海洋生物的早期附着, 应使表面特征达到纳米级, 并具有微米级波纹. ...
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2000
... 表面超疏水性一般是由表面化学组成和表面形貌共同引起的, 但表面形貌对超疏水[11 ,12 ] 和抗附着[13 ] 性能的影响更为重要. 在接触角仅为75°的有机Si材料表面构建纳米级微结构, 形成接触角达169°的超疏水表面, 发现微结构可以有效控制细菌、藤壶等生物的附着[14 ] . Bechert等[15 ] 也对比了光滑表面与具有微米级粗糙结构的表面的抗附着效果, 在相同条件下, 具有微结构的粗糙表面抗附着性能明显优于光滑表面. 陈美玲等[16 ] 以有机Si改性丙烯酸树脂作为主要成膜物质, 通过添加颜填料、纳米SiO2 和其它助剂, 制备出表面具有微纳米阶层结构的超疏水涂膜, 提高了涂料的抗附着性能. 研究[17 ] 表明, 要阻止海洋生物的早期附着, 应使表面特征达到纳米级, 并具有微米级波纹. ...
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2008
... 表面超疏水性一般是由表面化学组成和表面形貌共同引起的, 但表面形貌对超疏水[11 ,12 ] 和抗附着[13 ] 性能的影响更为重要. 在接触角仅为75°的有机Si材料表面构建纳米级微结构, 形成接触角达169°的超疏水表面, 发现微结构可以有效控制细菌、藤壶等生物的附着[14 ] . Bechert等[15 ] 也对比了光滑表面与具有微米级粗糙结构的表面的抗附着效果, 在相同条件下, 具有微结构的粗糙表面抗附着性能明显优于光滑表面. 陈美玲等[16 ] 以有机Si改性丙烯酸树脂作为主要成膜物质, 通过添加颜填料、纳米SiO2 和其它助剂, 制备出表面具有微纳米阶层结构的超疏水涂膜, 提高了涂料的抗附着性能. 研究[17 ] 表明, 要阻止海洋生物的早期附着, 应使表面特征达到纳米级, 并具有微米级波纹. ...
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2008
... 表面超疏水性一般是由表面化学组成和表面形貌共同引起的, 但表面形貌对超疏水[11 ,12 ] 和抗附着[13 ] 性能的影响更为重要. 在接触角仅为75°的有机Si材料表面构建纳米级微结构, 形成接触角达169°的超疏水表面, 发现微结构可以有效控制细菌、藤壶等生物的附着[14 ] . Bechert等[15 ] 也对比了光滑表面与具有微米级粗糙结构的表面的抗附着效果, 在相同条件下, 具有微结构的粗糙表面抗附着性能明显优于光滑表面. 陈美玲等[16 ] 以有机Si改性丙烯酸树脂作为主要成膜物质, 通过添加颜填料、纳米SiO2 和其它助剂, 制备出表面具有微纳米阶层结构的超疏水涂膜, 提高了涂料的抗附着性能. 研究[17 ] 表明, 要阻止海洋生物的早期附着, 应使表面特征达到纳米级, 并具有微米级波纹. ...
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2007
... 表面超疏水性一般是由表面化学组成和表面形貌共同引起的, 但表面形貌对超疏水[11 ,12 ] 和抗附着[13 ] 性能的影响更为重要. 在接触角仅为75°的有机Si材料表面构建纳米级微结构, 形成接触角达169°的超疏水表面, 发现微结构可以有效控制细菌、藤壶等生物的附着[14 ] . Bechert等[15 ] 也对比了光滑表面与具有微米级粗糙结构的表面的抗附着效果, 在相同条件下, 具有微结构的粗糙表面抗附着性能明显优于光滑表面. 陈美玲等[16 ] 以有机Si改性丙烯酸树脂作为主要成膜物质, 通过添加颜填料、纳米SiO2 和其它助剂, 制备出表面具有微纳米阶层结构的超疏水涂膜, 提高了涂料的抗附着性能. 研究[17 ] 表明, 要阻止海洋生物的早期附着, 应使表面特征达到纳米级, 并具有微米级波纹. ...
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2008
... 制备合适的微纳米级粗糙结构的方法是获得超疏水表面的关键环节. 目前, 已有多种方法可以制备出金属基底超疏水表面, 如阳极氧化法[18 ] 、化学刻蚀法[19 ,20 ] 、物理化学气相沉积法[21 ] 、模板法[22 ] 、激光刻蚀法[23 ] 等. 但以大面积的船板材料为基底制备具有规则微结构的疏水/超疏水表面的方法尚未见报道. 在系统研究界面效应(表面形貌和表面润湿性)对船板抗附着性能的影响方面还很匮乏. 本工作采用激光刻蚀的方法在舰船尤其是潜艇上应用相当广泛的钛合金表面分别构筑点阵、直线、网格3种规则微结构, 通过低表面能修饰得到具有微结构的疏水/超疏水表面. 采用溶胶-凝胶法将SiO2 纳米粒子涂覆在经激光刻蚀的钛合金表面, 制备具有微纳米结构的超疏水表面. 利用小球藻附着面积评价上述表面的抗附着性能. 利用动态冲刷实验评价小球藻的附着强度. 探讨界面效应对表面抗附着性能的影响. 由于激光刻蚀技术可以在大气环境下进行且对环境无污染,可控制微结构的尺寸和形貌, 适用于大面积的舰船表面. 同时溶胶-凝胶法易于大面积涂覆SiO2 . 因此本研究有望为提高舰船、潜艇等海洋设施表面的抗附着性能提供新的方法和技术支持. ...
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2005
... 制备合适的微纳米级粗糙结构的方法是获得超疏水表面的关键环节. 目前, 已有多种方法可以制备出金属基底超疏水表面, 如阳极氧化法[18 ] 、化学刻蚀法[19 ,20 ] 、物理化学气相沉积法[21 ] 、模板法[22 ] 、激光刻蚀法[23 ] 等. 但以大面积的船板材料为基底制备具有规则微结构的疏水/超疏水表面的方法尚未见报道. 在系统研究界面效应(表面形貌和表面润湿性)对船板抗附着性能的影响方面还很匮乏. 本工作采用激光刻蚀的方法在舰船尤其是潜艇上应用相当广泛的钛合金表面分别构筑点阵、直线、网格3种规则微结构, 通过低表面能修饰得到具有微结构的疏水/超疏水表面. 采用溶胶-凝胶法将SiO2 纳米粒子涂覆在经激光刻蚀的钛合金表面, 制备具有微纳米结构的超疏水表面. 利用小球藻附着面积评价上述表面的抗附着性能. 利用动态冲刷实验评价小球藻的附着强度. 探讨界面效应对表面抗附着性能的影响. 由于激光刻蚀技术可以在大气环境下进行且对环境无污染,可控制微结构的尺寸和形貌, 适用于大面积的舰船表面. 同时溶胶-凝胶法易于大面积涂覆SiO2 . 因此本研究有望为提高舰船、潜艇等海洋设施表面的抗附着性能提供新的方法和技术支持. ...
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2008
... 制备合适的微纳米级粗糙结构的方法是获得超疏水表面的关键环节. 目前, 已有多种方法可以制备出金属基底超疏水表面, 如阳极氧化法[18 ] 、化学刻蚀法[19 ,20 ] 、物理化学气相沉积法[21 ] 、模板法[22 ] 、激光刻蚀法[23 ] 等. 但以大面积的船板材料为基底制备具有规则微结构的疏水/超疏水表面的方法尚未见报道. 在系统研究界面效应(表面形貌和表面润湿性)对船板抗附着性能的影响方面还很匮乏. 本工作采用激光刻蚀的方法在舰船尤其是潜艇上应用相当广泛的钛合金表面分别构筑点阵、直线、网格3种规则微结构, 通过低表面能修饰得到具有微结构的疏水/超疏水表面. 采用溶胶-凝胶法将SiO2 纳米粒子涂覆在经激光刻蚀的钛合金表面, 制备具有微纳米结构的超疏水表面. 利用小球藻附着面积评价上述表面的抗附着性能. 利用动态冲刷实验评价小球藻的附着强度. 探讨界面效应对表面抗附着性能的影响. 由于激光刻蚀技术可以在大气环境下进行且对环境无污染,可控制微结构的尺寸和形貌, 适用于大面积的舰船表面. 同时溶胶-凝胶法易于大面积涂覆SiO2 . 因此本研究有望为提高舰船、潜艇等海洋设施表面的抗附着性能提供新的方法和技术支持. ...
... 随激光刻蚀间距的增大, 液滴与固体的接触面积增大, f s 增大, 因此接触角减小. 由于液滴与固体表面发生不连续接触导致黏滞力很小, 因此产生较小的滚动角. 随着间距的增大, 接触角减小, 固/液接触范围增大, 后接触线变长, 不利于液滴的滚动[20 ] , 因此滚动角增大. 分析认为, 点阵微结构表面形成凹槽结构模型(图1a和b), 即固体基底内形成许多封闭的凹坑, 这些凹坑是独立的, 随着基底上液滴液面的下降, 增加了凹坑内气体压强, 直到达到力的平衡[26 ] . 而直线和网格微结构表面形成凸起结构模型(图1c~f ), 表面各凸起间的大气是相连通的, 由于固、液、气之间界面张力的共同作用而引起空气捕获[27 ] . 已有研究[28 ] 表明, 凹槽结构模型的接触角小于凸起结构模型. 同时, 由于网格微结构表面高度大于直线微结构, 因此更容易形成空气捕获, 因而形成最大的接触角. 可见, 微米级结构决定了表面具有大的接触角, 但纳米级结构却影响着液滴在试样表面的动态性能. 微纳结构可以显著地减小表面的滚动角, 这对提高舰船船体表面的自清洁性能很有意义. ...
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2010
... 制备合适的微纳米级粗糙结构的方法是获得超疏水表面的关键环节. 目前, 已有多种方法可以制备出金属基底超疏水表面, 如阳极氧化法[18 ] 、化学刻蚀法[19 ,20 ] 、物理化学气相沉积法[21 ] 、模板法[22 ] 、激光刻蚀法[23 ] 等. 但以大面积的船板材料为基底制备具有规则微结构的疏水/超疏水表面的方法尚未见报道. 在系统研究界面效应(表面形貌和表面润湿性)对船板抗附着性能的影响方面还很匮乏. 本工作采用激光刻蚀的方法在舰船尤其是潜艇上应用相当广泛的钛合金表面分别构筑点阵、直线、网格3种规则微结构, 通过低表面能修饰得到具有微结构的疏水/超疏水表面. 采用溶胶-凝胶法将SiO2 纳米粒子涂覆在经激光刻蚀的钛合金表面, 制备具有微纳米结构的超疏水表面. 利用小球藻附着面积评价上述表面的抗附着性能. 利用动态冲刷实验评价小球藻的附着强度. 探讨界面效应对表面抗附着性能的影响. 由于激光刻蚀技术可以在大气环境下进行且对环境无污染,可控制微结构的尺寸和形貌, 适用于大面积的舰船表面. 同时溶胶-凝胶法易于大面积涂覆SiO2 . 因此本研究有望为提高舰船、潜艇等海洋设施表面的抗附着性能提供新的方法和技术支持. ...
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2001
... 制备合适的微纳米级粗糙结构的方法是获得超疏水表面的关键环节. 目前, 已有多种方法可以制备出金属基底超疏水表面, 如阳极氧化法[18 ] 、化学刻蚀法[19 ,20 ] 、物理化学气相沉积法[21 ] 、模板法[22 ] 、激光刻蚀法[23 ] 等. 但以大面积的船板材料为基底制备具有规则微结构的疏水/超疏水表面的方法尚未见报道. 在系统研究界面效应(表面形貌和表面润湿性)对船板抗附着性能的影响方面还很匮乏. 本工作采用激光刻蚀的方法在舰船尤其是潜艇上应用相当广泛的钛合金表面分别构筑点阵、直线、网格3种规则微结构, 通过低表面能修饰得到具有微结构的疏水/超疏水表面. 采用溶胶-凝胶法将SiO2 纳米粒子涂覆在经激光刻蚀的钛合金表面, 制备具有微纳米结构的超疏水表面. 利用小球藻附着面积评价上述表面的抗附着性能. 利用动态冲刷实验评价小球藻的附着强度. 探讨界面效应对表面抗附着性能的影响. 由于激光刻蚀技术可以在大气环境下进行且对环境无污染,可控制微结构的尺寸和形貌, 适用于大面积的舰船表面. 同时溶胶-凝胶法易于大面积涂覆SiO2 . 因此本研究有望为提高舰船、潜艇等海洋设施表面的抗附着性能提供新的方法和技术支持. ...
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2011
... 制备合适的微纳米级粗糙结构的方法是获得超疏水表面的关键环节. 目前, 已有多种方法可以制备出金属基底超疏水表面, 如阳极氧化法[18 ] 、化学刻蚀法[19 ,20 ] 、物理化学气相沉积法[21 ] 、模板法[22 ] 、激光刻蚀法[23 ] 等. 但以大面积的船板材料为基底制备具有规则微结构的疏水/超疏水表面的方法尚未见报道. 在系统研究界面效应(表面形貌和表面润湿性)对船板抗附着性能的影响方面还很匮乏. 本工作采用激光刻蚀的方法在舰船尤其是潜艇上应用相当广泛的钛合金表面分别构筑点阵、直线、网格3种规则微结构, 通过低表面能修饰得到具有微结构的疏水/超疏水表面. 采用溶胶-凝胶法将SiO2 纳米粒子涂覆在经激光刻蚀的钛合金表面, 制备具有微纳米结构的超疏水表面. 利用小球藻附着面积评价上述表面的抗附着性能. 利用动态冲刷实验评价小球藻的附着强度. 探讨界面效应对表面抗附着性能的影响. 由于激光刻蚀技术可以在大气环境下进行且对环境无污染,可控制微结构的尺寸和形貌, 适用于大面积的舰船表面. 同时溶胶-凝胶法易于大面积涂覆SiO2 . 因此本研究有望为提高舰船、潜艇等海洋设施表面的抗附着性能提供新的方法和技术支持. ...
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1936
... 分析认为, 表面经过激光刻蚀形成的微结构减小了水滴与试样表面的接触面积, 使得接触角增大. 但由于只具有单一的微米级结构, 表面凹坑或沟槽间的距离较大, 液体渗入到表面粗糙结构中, 符合Wenzel[24 ] 模型. 以q w 表示Wenzel模式下的表征接触角; q e 表示固有接触角; r表示粗糙度因子, 即粗糙表面的实际接触面积与表观固/液接触面积之比, 则q w 可由下式计算[24 ] : ...
... [24 ]: ...
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1944
... 在激光刻蚀Ti6Al4V表面涂覆SiO2 分散液后, 形成了具有微纳双层结构的表面, 大量SiO2 粒子产生的纳米级凸起结构使液滴与Ti6Al4V表面的接触面积最小化, 液滴不易侵入表面结构而截留空气产生气膜, 符合Cassie[25 ] 模型. 如果以q c 表示Cassie模式下的接触角, f s 表示液滴与固体的接触面积占复合界面的面积分数, 则q c 与q e 的关系如下[25 ] : ...
... [25 ]: ...
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2008
... 随激光刻蚀间距的增大, 液滴与固体的接触面积增大, f s 增大, 因此接触角减小. 由于液滴与固体表面发生不连续接触导致黏滞力很小, 因此产生较小的滚动角. 随着间距的增大, 接触角减小, 固/液接触范围增大, 后接触线变长, 不利于液滴的滚动[20 ] , 因此滚动角增大. 分析认为, 点阵微结构表面形成凹槽结构模型(图1a和b), 即固体基底内形成许多封闭的凹坑, 这些凹坑是独立的, 随着基底上液滴液面的下降, 增加了凹坑内气体压强, 直到达到力的平衡[26 ] . 而直线和网格微结构表面形成凸起结构模型(图1c~f ), 表面各凸起间的大气是相连通的, 由于固、液、气之间界面张力的共同作用而引起空气捕获[27 ] . 已有研究[28 ] 表明, 凹槽结构模型的接触角小于凸起结构模型. 同时, 由于网格微结构表面高度大于直线微结构, 因此更容易形成空气捕获, 因而形成最大的接触角. 可见, 微米级结构决定了表面具有大的接触角, 但纳米级结构却影响着液滴在试样表面的动态性能. 微纳结构可以显著地减小表面的滚动角, 这对提高舰船船体表面的自清洁性能很有意义. ...
1
2007
... 随激光刻蚀间距的增大, 液滴与固体的接触面积增大, f s 增大, 因此接触角减小. 由于液滴与固体表面发生不连续接触导致黏滞力很小, 因此产生较小的滚动角. 随着间距的增大, 接触角减小, 固/液接触范围增大, 后接触线变长, 不利于液滴的滚动[20 ] , 因此滚动角增大. 分析认为, 点阵微结构表面形成凹槽结构模型(图1a和b), 即固体基底内形成许多封闭的凹坑, 这些凹坑是独立的, 随着基底上液滴液面的下降, 增加了凹坑内气体压强, 直到达到力的平衡[26 ] . 而直线和网格微结构表面形成凸起结构模型(图1c~f ), 表面各凸起间的大气是相连通的, 由于固、液、气之间界面张力的共同作用而引起空气捕获[27 ] . 已有研究[28 ] 表明, 凹槽结构模型的接触角小于凸起结构模型. 同时, 由于网格微结构表面高度大于直线微结构, 因此更容易形成空气捕获, 因而形成最大的接触角. 可见, 微米级结构决定了表面具有大的接触角, 但纳米级结构却影响着液滴在试样表面的动态性能. 微纳结构可以显著地减小表面的滚动角, 这对提高舰船船体表面的自清洁性能很有意义. ...
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2013
... 随激光刻蚀间距的增大, 液滴与固体的接触面积增大, f s 增大, 因此接触角减小. 由于液滴与固体表面发生不连续接触导致黏滞力很小, 因此产生较小的滚动角. 随着间距的增大, 接触角减小, 固/液接触范围增大, 后接触线变长, 不利于液滴的滚动[20 ] , 因此滚动角增大. 分析认为, 点阵微结构表面形成凹槽结构模型(图1a和b), 即固体基底内形成许多封闭的凹坑, 这些凹坑是独立的, 随着基底上液滴液面的下降, 增加了凹坑内气体压强, 直到达到力的平衡[26 ] . 而直线和网格微结构表面形成凸起结构模型(图1c~f ), 表面各凸起间的大气是相连通的, 由于固、液、气之间界面张力的共同作用而引起空气捕获[27 ] . 已有研究[28 ] 表明, 凹槽结构模型的接触角小于凸起结构模型. 同时, 由于网格微结构表面高度大于直线微结构, 因此更容易形成空气捕获, 因而形成最大的接触角. 可见, 微米级结构决定了表面具有大的接触角, 但纳米级结构却影响着液滴在试样表面的动态性能. 微纳结构可以显著地减小表面的滚动角, 这对提高舰船船体表面的自清洁性能很有意义. ...
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2013
... 随激光刻蚀间距的增大, 液滴与固体的接触面积增大, f s 增大, 因此接触角减小. 由于液滴与固体表面发生不连续接触导致黏滞力很小, 因此产生较小的滚动角. 随着间距的增大, 接触角减小, 固/液接触范围增大, 后接触线变长, 不利于液滴的滚动[20 ] , 因此滚动角增大. 分析认为, 点阵微结构表面形成凹槽结构模型(图1a和b), 即固体基底内形成许多封闭的凹坑, 这些凹坑是独立的, 随着基底上液滴液面的下降, 增加了凹坑内气体压强, 直到达到力的平衡[26 ] . 而直线和网格微结构表面形成凸起结构模型(图1c~f ), 表面各凸起间的大气是相连通的, 由于固、液、气之间界面张力的共同作用而引起空气捕获[27 ] . 已有研究[28 ] 表明, 凹槽结构模型的接触角小于凸起结构模型. 同时, 由于网格微结构表面高度大于直线微结构, 因此更容易形成空气捕获, 因而形成最大的接触角. 可见, 微米级结构决定了表面具有大的接触角, 但纳米级结构却影响着液滴在试样表面的动态性能. 微纳结构可以显著地减小表面的滚动角, 这对提高舰船船体表面的自清洁性能很有意义. ...
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2009
... 沉浸实验主要考察的是海中微生物对试样表面的粘附状况. 生物污损过程大致分为4个阶段: 第1个阶段是可溶性有机碳(dissolved organic carbon, DOC)在材料表面吸附形成条件膜; 第2个阶段是细菌等原核微生物的附着和生物膜(biofilm)的形成; 第3个阶段是真菌、藻类等生物的附着; 最后是大型污损生物藤壶、牡蛎、贻贝等的附着. 研究结果[29 ] 表明, 生物污损发展的前一阶段对后续阶段生物的附着有重要影响. 如果藻类的附着能够被阻止和抑制, 则后期大型污损生物的附着将被阻止和抑制. 由于在海洋生态系统中藻类植物的垂直分布为:水的上层多为绿藻, 中层多为褐藻, 下层多为红藻. 考虑到舰船的吃水深度, 选择绿藻, 又称小球藻作为本实验所用的藻种. 小球藻对盐度的适应能力较强, 尤其是海水中对盐度的适应能力更强, 在河口、港湾处半咸水中都可生存. 小球藻的附着能力强且易于实验观察. 小球藻在海洋生物中处于生物链的最底端, 为其他大型污损生物藤壶、牡蛎、贻贝等的附着提供营养. 实验室培养不仅周期短, 而且培养的小球藻繁殖力强, 活力旺盛, 附着能力强, 可以大大缩短实验所需的时间. ...
, 任洪梅, 管善堃, 张会臣
图1
