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类珊瑚触手仿生结构防污机制的研究

类珊瑚触手仿生结构防污机制的研究

作者：王建福吉林大学

学位级别：硕士

海洋生物污损对海洋中的船舶业、工业、养殖业等有着严重的危害,造成了巨大的经济损失,严重制约了人们对海洋资源的探索与开发。随着环保意识的加深,环境污染严重的传统防污涂层逐渐被禁用,为应对海洋生物污损造成的危害,新型环保防污... 详细信息

海洋生物污损对海洋中的船舶业、工业、养殖业等有着严重的危害,造成了巨大的经济损失,严重制约了人们对海洋资源的探索与开发。随着环保意识的加深,环境污染严重的传统防污涂层逐渐被禁用,为应对海洋生物污损造成的危害,新型环保防污涂层的研制有着重要的经济价值与战略意义。花环肉质软珊瑚(Sarcophyton trocheliophorum)是一种长期固定生长在海洋中的生物,它们不能像鲨鱼、海豚等动物可以通过运动产生的流体剪切力阻碍污损生物的附着,但其表面却能保持清洁。通过对软珊瑚的观察试验发现,珊瑚触手在流体介质激励下产生的“谐动”响应,对于防止微生物的粘附具有重要作用,受此现象启发,本文设计了类珊瑚触手仿生结构,据仿生相似性原则,设计的类触手结构为圆柱体,其直径D=1 mm,高度为7D,类触手间距为3.5D,通过3D打印制作了白色树脂刚性类触手结构,通过模板法制备了硅橡胶柔性类触手结构。为探究类珊瑚触手仿生结构防污性能及防污机制,本文以海洋中常见的泛养副球菌为污损细菌,通过水槽试验与模拟仿真对单根、多根刚性触手结构以及单根柔性触手结构在0–5 m/s的流速区间内进行了对比试验,试验结果表明:(1)刚性触手对流体激励不产生响应,柔性触手结构在流体激励下不仅沿水流方向会发生弯曲,而且沿垂直于水流的方向会发生摆动,弯曲角度、摆动频率与摆动幅度随流速的增大而增加;(2)不同触手结构上的细菌分布相似,主要集中在迎风区域,背风区域细菌粘附量很少,侧面区域几乎没有细菌粘附;(3)单根刚性触手细菌粘附量随流速的提高呈先减少后增多的趋势,在1.5–3 m/s流速区间粘附量较少。(4)相同流速下不同触手结构不同的部位细菌粘附量存在显著差异:单根刚性触手结构、并列双触手结构以及串列双触手结构前方触手细菌粘附量最多,串列双触手结构后方触手次之,单根柔性触手结构细菌粘附量最少。通过上述防污性能试验结果结合模拟仿真,发现流体介质激励-类触手结构的“谐动”响应是防止细菌粘附的主要机制,流体介质激励-类珊瑚触手结构相互影响-细菌黏附/脱附的机制如下:(1)类触手结构与流体介质的相互作用影响了细菌粘附的分布规律触手圆柱侧面区域切向流速增高阻碍了细菌颗粒的粘附,此区域细菌附着量最少;在触手背风区域存在脱涡现象,流场不稳定不利于细菌颗粒的停留,只有很少细菌在回流中附着在触手壁面;而触手结构迎风区域流体流动性差,形成了一个低流速区,细菌等污染物容易在此区域聚集,是触手结构受污染最严重的区域。(2)流速使边界层厚度和细菌动能发生变化进而影响细菌粘附边界层内的低法向流速使得触手附近形成了一层“水膜”,阻碍细菌颗粒接近触手壁面,且随着流速的增高,边界层内切向流速增大,迫使细菌颗粒更快地离开,导致粘附量下降;然而随着流速地进一步提高,边界逐渐变薄,在短时间内赋予细菌颗粒法向动能增大,使得细菌颗粒迅速穿透边界层“水膜”,粘附在类触手壁面,导致粘附量上升。(3)类触手的柔性特征及其排列方式消除了低流速区域,降低了细菌的粘附柔性类触手在流体介质激励下沿来流方向的弯曲及垂直来流方向的摆动,两种运动的叠加对触手周围的低流速区域产生扰动,使得细菌很难在触手壁面上聚集;串列双触手结构中的后方触手受到前方触手产生的涡街脱落的影响,触手迎风面来流变得不再固定,消除了触手前方低流速区的影响,细菌等污染物难以在不稳定的流场中聚集,提高了触手结构的防污性能。本文通过水槽试验与模拟仿真相结合的方式揭示了类珊瑚触手仿生结构的防污机制,为类触手仿生防污表面的设计提供理论指导,为新型防污涂层的研究提供新的思路。

关键词：海洋生物污损流固耦合软珊瑚防污结构防污机制

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典型海洋生物表面防污机制研究

典型海洋生物表面防污机制研究

中国化学会第27届学术年会

作者：周文木王孝杰胡碧茹吴文健国防科技大学理学院

＜正＞海洋污损生物给社会生产和军事装备造成极大的危害和巨大的经济损失,研究与开发无毒、广谱防污涂料是舰船修造、海产养殖等领域的一个重要课题。传统的防污涂料是通过防污剂的渗出,

关键词：污损海洋生物防污机制

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仿生复合纳米防污酶可控制备及性能调控机制

仿生复合纳米防污酶可控制备及性能调控机制

2020第七届海洋材料与腐蚀防护大会暨2020第一届钢筋混凝土耐久性与设施服役安全大会

作者：王毅张盾中国科学院海洋环境腐蚀与生物污损重点实验室中国科学院海洋研究所海洋腐蚀与防护开放工作室青岛海洋科学与技术国家实验室中国科学院海洋大科学研究中心

海洋生物污损每年会造成巨大的经济损失和环境危害。近年来,具有仿生催化性能的无机功能材料模拟酶发展迅速。在海洋防污领域,氧化钒、氧化铈等纳米酶可催化产生防污活性物质,直接抑制污损微生物或污损动物幼体附着。相较于天然酶,纳米... 详细信息

海洋生物污损每年会造成巨大的经济损失和环境危害。近年来,具有仿生催化性能的无机功能材料模拟酶发展迅速。在海洋防污领域,氧化钒、氧化铈等纳米酶可催化产生防污活性物质,直接抑制污损微生物或污损动物幼体附着。相较于天然酶,纳米酶具有性质稳定、制备简单、成本低、对使用环境耐受性强以及可重复使用等优点,是一种较为理想的绿色有毒防污技术替代技术。但是,目前报道的纳米酶要发挥防污作用通常需要借助HO的辅助。高浓度HO不仅具有生物毒性,在自然环境中背景浓度也很低。因此,可在无HO环境中有效杀灭微生物的纳米酶材料的研发具有重要的意义。最近,为提高纳米酶的杀菌活性,并克服单体纳米酶团聚易失活的性能瓶颈,我们采用层状前驱体转化法可控合成了系列复合纳米酶材料,发现其具有大的比表面积、稳定的结构、纳米级分散的活性中心和优异的模拟酶催化杀菌活性,在海洋防污领域极具应用前景。例如,具有OXD和POD双酶活性的CoS/CoO纳米管,无需添加HO即可实现广谱杀菌。本研究工作对开发绿色海洋防污技术具有重要的指导意义。

关键词：海洋防污纳米酶 H2O2 防污机制

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纳米复合海洋防污涂料研究进展

中国表面工程 2023年第5期36卷 37-51页

作者：贺小燕白秀琴袁成清任坤武汉理工大学水路交通控制全国重点实验室武汉430063 武汉理工大学襄阳示范区湖北隆中实验室襄阳441000 上汽通用汽车有限公司武汉分公司武汉430208

海洋生物污损带来巨大的损失是亟须解决的难题。开发含纳米填料的无机-有机杂化涂料是传统防污手段的绿色替代方案,然而目前缺乏纳米复合涂料在海洋防污领域应用的系统报道。综述无机纳米材料改性聚合物涂料的研究进展,按照防污机制的不... 详细信息

海洋生物污损带来巨大的损失是亟须解决的难题。开发含纳米填料的无机-有机杂化涂料是传统防污手段的绿色替代方案,然而目前缺乏纳米复合涂料在海洋防污领域应用的系统报道。综述无机纳米材料改性聚合物涂料的研究进展,按照防污机制的不同,重点总结低表面能纳米复合防污涂料、超疏水纳米复合防污涂料、释放型纳米复合防污涂料、催化型纳米防污涂料、多因素协同纳米防污涂料的研究现状,对其防污特性进行分析,并指出各类涂层所存在的问题。最后,提出无机纳米材料在聚合物中的稳定分散、多种防污机制协同优化、无机纳米复合涂层的长效防污性能保障是纳米防污涂料在海洋防污领域所面临的难题及未来发展方向,填补了纳米复合涂料在海洋绿色防污领域应用系统报道的空白。

关键词：生物污损纳米复合海洋防污涂料防污机制

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铋系可见光催化海洋防污材料研究进展

中国腐蚀与防护学报 2019年第5期39卷 375-386页

作者：王毅张盾中国科学院海洋研究所中国科学院海洋环境腐蚀与生物污损重点实验室青岛266071 青岛海洋科学与技术国家实验室海洋腐蚀与防护开放工作室青岛266237 中国科学院海洋大科学研究中心青岛266071

生物污损是海洋工程材料在服役过程中面临的重要问题之一,因此开发高效、环保的新型防污材料具有重要意义。铋系半导体材料是近年来广受关注的一类新型光催化剂,因其具有独特的结构和合适的禁带宽度,而表现出了良好的可见光催化性能,在... 详细信息

生物污损是海洋工程材料在服役过程中面临的重要问题之一,因此开发高效、环保的新型防污材料具有重要意义。铋系半导体材料是近年来广受关注的一类新型光催化剂,因其具有独特的结构和合适的禁带宽度,而表现出了良好的可见光催化性能,在海洋防污领域有巨大的应用前景。本文从铋系可见光催化防污材料和作用机理的角度,阐述了近年来在铋系半导体材料体系方面的研究进展。作为一种新型的防污材料,基于铋系半导体材料的可见光催化防污技术有望在海洋防污领域中提供一种新的策略。

关键词：生物污损可见光催化钨酸铋钒酸铋碘氧化铋防污机制

非晶合金/水凝胶复合涂层的制备及其防腐防污性能研究

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非晶合金/水凝胶复合涂层的制备及其防腐防污性能研究

作者：张灵瑜华中科技大学

学位级别：硕士

铁基非晶涂层因其优异的耐蚀性能,在海洋工程领域备受关注。然而,由于防污性能不足,非晶涂层在海洋环境的工程应用中还面临生物污损的挑战。如何设计出防腐防污一体化的非晶涂层成为本领域亟待解决的关键难题。水凝胶作为新型环保防污材... 详细信息

铁基非晶涂层因其优异的耐蚀性能,在海洋工程领域备受关注。然而,由于防污性能不足,非晶涂层在海洋环境的工程应用中还面临生物污损的挑战。如何设计出防腐防污一体化的非晶涂层成为本领域亟待解决的关键难题。水凝胶作为新型环保防污材料,具有成本低、环境友好、防污广谱性等优点,但较低的结合强度极大限制了其工程应用。因此,本文结合铁基非晶涂层的优异防腐性能以及水凝胶良好的防污特性,研制高结合力、防腐防污一体化的非晶合金/水凝胶复合涂层。主要研究结果如下:(1)制备非晶合金/水凝胶复合涂层,系统研究表面网格化、表面羟基化、中间层及超声处理等界面工程策略对复合涂层结合强度的影响。其中,掩模辅助喷涂制得的表面网格纹理可显著提升非晶涂层的表面粗糙度和接触面积;表面羟基化为非晶涂层表面引入大量活化官能团;聚多巴胺中间层可作为二次反应平台与水凝胶结合;超声处理的空化作用可将水凝胶中的聚合物链推向聚多巴胺中间层,并与儿茶酚和伯胺等基团产生缠绕效应。通过上述界面工程策略,水凝胶与非晶涂层之间的结合强度由0.06±0.012 MPa提升至0.79±0.065 MPa,涨幅达1200%。(2)微生物腐蚀研究结果显示,在铜绿假单胞菌介质中,非晶涂层表面形成非晶结构钝化膜和非晶-纳米晶复合结构生物膜;且与无菌条件下的膜厚相比,钝化膜和生物膜的厚度分别减小和增加。分析表明,铜绿假单胞菌加速了非晶涂层的电子转移过程,使钝化膜变薄甚至被击穿,导致其耐蚀性急剧降低。相反,非晶合金/水凝胶复合涂层具有极高的电荷转移电阻,可有效抑制铜绿假单胞菌带来的电子转移,且能阻碍氯离子侵蚀,呈现出优异的耐蚀性。进一步的防污性能测试结果显示,非晶合金/水凝胶复合涂层的抗蛋白质和藻类的粘附率分别高达87%和99%,铜绿假单胞菌粘附量降低了75%,且无任何贻贝足丝的粘附。分析表明,凝胶表面的水化层可有效阻碍蛋白质和藻类的附着,注入的环境友好型杀菌剂保证了优异的抑菌性能,且水凝胶超低的弹性模量和形成的水化层还具有伪装和迷惑作用。此外,实海挂板测试结果显示,复合涂层表面无明显污损生物粘附。上述结果表明复合涂层中水凝胶涂层通过阻碍—灭杀—伪装的协同作用实现了铁基非晶涂层防污性能的显著提升。

关键词：铁基非晶涂层微生物腐蚀海洋污损水凝胶涂层表面改性结合强度防污机制

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仿生复合纳米酶防污材料

仿生复合纳米酶防污材料

第十一届全国腐蚀与防护大会

作者：王毅张盾中国科学院海洋环境腐蚀与生物污损重点实验室中国科学院海洋研究所

关键词：海洋防污纳米酶 H2O2 防污机制

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结构改性异噻唑啉酮基海洋防污表界面材料

结构改性异噻唑啉酮基海洋防污表界面材料

ASTF2023（第五届）抗菌科学与技术论坛

作者：孙依晗何健申媛媛赵海斌王鹏张盾中国科学院海洋研究所

异噻唑啉酮及其衍生物因具有抗菌、抑藻、防腐等特性在海洋防污防腐等海洋工程领域备受关注,开发新型绿色的异噻唑啉酮基海洋防污表界面材料具有重要研究意义。在本研究中我们以绿色海水防污剂异噻唑啉酮为结构母环,利用活性亚结构拼接... 详细信息

异噻唑啉酮及其衍生物因具有抗菌、抑藻、防腐等特性在海洋防污防腐等海洋工程领域备受关注,开发新型绿色的异噻唑啉酮基海洋防污表界面材料具有重要研究意义。在本研究中我们以绿色海水防污剂异噻唑啉酮为结构母环,利用活性亚结构拼接原理,制备了异噻唑啉酮基有机硅烷单体、甲基丙烯酸酯单体和适用于原子转移自由基聚合的异噻唑啉酮基引发剂,构筑了适用静态海洋环境的有机-无机硅烷类陶瓷两亲杂化防污网络、海水触发释放防污组分的自抛光防污网络以及防污性能增强的聚合物分子刷表界面材料,研究了三种防污材料的抑菌、控藻及抑制海洋贝类生物附着性能,并揭示了结构改性异噻唑啉酮基表界面材料的海洋防污机制。

关键词：异噻唑啉酮海洋防污防污机制聚合物表界面材料