基于聚二甲基硅氧烷的仿生防污表面的制备与性能研究

作     者：周楠 

作者单位：哈尔滨工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈蓉蓉;刘培礼

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：海洋防污 仿生 复合表面 聚二甲基硅氧烷 水凝胶 

摘      要：自人类进行海洋活动以来,海洋污损生物附着在船舶等人造结构表面不仅对结构本身造成破坏,还会带来经济损失。为了降低污损生物带来的危害与损失,在船体表面涂覆防污涂料是使用最为广泛的防污技术,但传统防污涂料潜在的生物毒性限制其发展,因此开发可持续发展的无毒防污方法迫在眉睫。受生物启发而设计绿色、高效的防污表面是最有潜力的防污技术之一。本文以海洋高速鱼—鲨鱼作为研究对象,复刻其表皮形貌,获得仿生聚二甲基硅氧烷鲨鱼表皮材料(PDMS-SK);进一步以其为基底复合两种功能化水凝胶,制备仿生聚二甲基硅氧烷鲨鱼表皮/功能化水凝胶复合防污表面,通过海藻抑制附着、细菌粘附情况以及贻贝选择粘附实验探究复合表面的防污性能。具体研究内容如下:本论文通过扫描电子显微镜、光学显微镜等表征手段表征鲨鱼表皮与PDMS-SK材料结构,发现鲨鱼表皮具有非光滑且稳定的表面形貌,存在排列致密有序的微米级鳞片,鳞片上有多边形微米结构的凹槽和突起;通过海藻粘附和贻贝选择性粘附测试说明鲨鱼表皮具有一定的抑制海藻粘附及贻贝附着的作用。PDMS-SK材料表面具有与鲨鱼表皮相似的微观形貌,通过接触角测试发现PDMS-SK材料疏水性相较于PDMS材料明显提高,水接触角为140°;PDMS-SK材料对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌均具有抑制细菌粘附的作用;通过抑制海藻粘附测试表明,相较于鲨鱼表皮和光滑的PDMS材料,PDMS-SK材料表面海藻粘附数量明显下降;贻贝选择粘附行为探究发现PDMSSK材料对贻贝具有“驱离效果。利用聚赖氨酸-聚乙烯醇水凝胶(P-PL)模拟鱼表皮的粘液物质,将其交联在PDMSSK材料表面,制备仿生聚二甲基硅氧烷鲨鱼表皮/聚赖氨酸-聚乙烯醇复合防污表面(PDMS-SK/P-PL)。PDMS-SK/P-PL复合防污表面并未改变原始复刻鲨鱼表皮的微观结构,其表面粗糙度降低,抑制海藻粘附实验结果发现海藻粘附数量降低。PDMS-SK/PPL复合防污表面对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌和海假交替单胞菌抑制率分别为94.15%、66.25%、87.36%和86.24%。贻贝选择性粘附实验结果同样表明PPL改性后的复合防污表面对贻贝具有一定的“驱离效果。小新月菱形藻的生长曲线表明改性后的复合防污表面对海藻的生长没有影响,证明其具有良好的环境友好性。为实现模拟生物动态防污的目的,采用原位聚合法制备聚乙烯醇-聚(N-异丙基丙烯酰胺)-聚吡咯温敏水凝胶(P-N-P),并交联在PDMS-SK材料表面,制备仿生聚二甲基硅氧烷鲨鱼表皮/聚乙烯醇-聚(N-异丙基丙烯酰胺)-聚吡咯复合防污表面(PDMSSK/P-N-P)。通过抑制海藻粘附实验发现基于聚吡咯的光热作用和聚乙烯醇-聚(N-异丙基丙烯酰胺)水凝胶(PN)的温敏动态变化,复合表面的海藻粘附数量相较于PDMSSK材料降低。PDMS-SK/P-N-P复合防污表面对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌和海假交替单胞菌抑制率分别为76.7%、70.17%、82.64%和72.58%。贻贝选择性粘附实验结果表明改性后的复合防污表面具有一定的防污性能。小新月菱形藻的生长曲线证明改性后的复合防污表面未对海藻的生长造成影响,具有良好的环境友好性。