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丙烯酸树脂超疏水涂层的制备及其抗生物粘附性能研究

曹镇君  
【摘要】:海洋生物污损是海洋工程材料开发应用中面临的突出问题。为克服传统海洋防生物污损涂层(如有机锡、氧化亚铜及合成杀虫剂等有毒物质)对海洋环境的负面影响,本论文将海洋工程中广泛应用的丙烯酸树脂与具有抗菌功能的纳米氧化锌复合制备超疏水涂层。利用超疏水表面对水及对海洋生物低粘附的特性,结合纳米氧化锌的抗菌作用,以减少海洋生物在涂层表面的吸附。采用原料易得、操作简单、绿色且可大批量生产的方法制备了三种丙烯酸树脂超疏水涂层。通过接触角测量仪、扫描电子显微镜、能谱仪等对样品的润湿性、表面形貌和表面成分进行了分析,并对涂层的耐酸碱、耐盐溶液(3.5 wt.%NaCl溶液)、摩擦磨损性能、藻类粘附等性能进行了研究。主要研究内容如下:(1)利用共混法制备了纳米ZnO/丙烯酸树脂复合超疏水涂层,研究了涂层组成对表面微观形貌和超疏水性能的影响。其中表面改性剂十六烷基三甲氧基硅烷(HDTMS)的添加量为10%(wt.%),丙烯酸树脂与ZnO质量比为1:4(wt.%)时制备得到的纳米ZnO/丙烯酸树脂超疏水涂层具有较好的疏水性,接触角达到168.11°,滚动角为7.2°。通过FESEM观察涂层表面形貌,得到样品表面的微/纳结构较规整,表明制备过程中喷涂条件较均匀。对不同丙烯酸树脂填充量的样品进行了抗磨损性能测试,在1 kPa的压强下经过10次砂纸摩擦实验,接触角下降。研究表明树脂的含量过少时耐磨性较差,随着树脂含量的增加,耐磨性也随之增加。但树脂的含量过多时,会包裹住改性的纳米ZnO,使表面疏水性下降。(2)利用两步喷涂法制备了纳米ZnO/丙烯酸树脂超疏水涂层,研究了涂层组成和喷涂工艺参数对涂层表面微观形貌和超疏水性能的影响。其中表面改性剂HDTMS的添加量为10%(wt.%),喷涂时间为1 min,30 nmZnO与90 nmZnO的比例为1:1时制备得到的样品具有最佳的超疏水性能,接触角达到171.51°,滚动角为1.83°。通过扫描电镜观察涂层表面形貌,得到样品表面微/纳结构分布均匀、结构规整,表明在制备过程中喷涂均匀。通过EDS数据分析得到两步喷涂法可以将ZnO成功的嵌入到丙烯酸树脂中,同时提高样品的稳定性和疏水性。样品在酸碱环境下浸泡168h后接触角依然达到超疏水的标准,说明涂层有较好的抗酸碱性能;在NaCl溶液中浸泡168h后,接触角降至164.22°,滚动角17°,表明涂层有较好的抗盐溶液性能;砂纸摩擦50次后,涂层接触角依然可以达到156.71°,滚动角为22°,说明涂层具有较好的抗摩擦磨损性能;抗藻类粘附测试150天后,制得的超疏水样品局部仅有微量的绿藻(小球藻),说明涂层具有较好的抗藻类粘附性能。(3)利用两步喷涂法制备了纳米TiO_2/丙烯酸树脂超疏水涂层,研究了涂层组成和喷涂工艺参数对涂层表面微观形貌和超疏水性能的影响。结果表明表面改性剂HDTMS含量为16%(wt.%),喷涂时间为1 min,10 nmTiO_2与100 nmTiO_2比例为1:1时制备的涂层具有较好的疏水性,接触角达到170.89°,滚动角为2°。通过扫描电镜观察样品,得到涂层表面微/纳结构分布均匀。对涂层的耐酸碱性能进行了测试,结果表明样品在酸性条件下的稳定性优于碱性条件下的稳定性;盐溶液测试结果显示涂层在3.5 wt.%NaCl溶液中浸泡168h后,接触角降至136°,说明纳米TiO_2/丙烯酸树脂超疏水涂层耐盐溶液性能较差;对样品进行摩擦磨损测试,结果显示砂纸摩擦100次后,涂层接触角依然可以达到162.30°,说明纳米TiO_2/丙烯酸树脂超疏水涂层具有较好的抗摩擦磨损性能。


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