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仿贻贝粘蛋白构筑的复合防污涂层制备及其防污防腐蚀性能研究认领

作者：

束浩波

学位授予单位：

扬州大学

摘要：

海洋生物污损（Marine biofouling）是指海洋环境中微生物、藻类、无脊椎动物等生物在船体、水下基础设施及海洋设备表面附着、生长并形成生物膜的过程。这种现象对人类航运业和水下作业活动造成严重影响,不仅增加船舶航行阻力,导致燃油消耗上升、碳排放增加,还会缩短船体和设备的使用寿命,提升维护和清理成本。此外,海洋生物污损可加速水下结构的腐蚀,影响海洋传感器、管道及海上风电设施的正常运行,甚至可能通过船舶跨区域运输外来物种,破坏海洋生态系统的稳定性。因此,如何有效抑制海洋污损的发生,减少其对航运和水下作业的不利影响,已成为海洋工程和防污技术领域亟待解决的重要课题。论文以304不锈钢（SS 304）作为基底,通过模仿贻贝粘蛋白的粘附方式制备了亲水性仿生涂层,然后对涂层的理化性质与制备工艺进行了进一步的改进,得到具有协同防污作用的水凝胶-金属有机骨架-群体感应抑制剂防污涂层,为表面绿色防污减阻提供了一种新的途径,主要研究内容如下: 1.仿贻贝粘蛋白原理逐层（LBL）自组装涂层的制备及其防污性能研究本研究开发了一种新型环保型海洋防污涂层,该涂层基于聚乙烯吡咯烷酮（PVP）与连苯三酚（PG）的加成反应,在不锈钢表面通过LBL技术锚定具有微生物抑制活性的酚类物质。研究通过纸盘法筛选PG作为最优酚源,并利用逐层自组装技术制备涂层,结聚乙烯亚胺（PEI）以增强涂层的平整性和性能。实验结果表明,SS-PG@PVP涂层对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和三角褐指藻的抑制率分别为89.14%、62.33%和82.13%,PEI的引入进一步提升了抑制率至93.10%、93.53%和95.40%。该涂层采用无毒、高性价比的PG、PEI和PVP作为原料,具备工业化合成的可行性,相较传统共聚物防污涂料,具有经济优势。LBL技术的应用简化了制备工艺,为海洋船舶和水下基础设施提供了可规模化生产的防污解决方案。 2.贻贝粘蛋白启发双重交联可喷涂水凝胶防污涂料的制备与研究确定最佳酚源后,本研究进一步加入五氧化二钒（VP）进行配位交联,并优化涂层的制备方法为两步法喷涂成型。通过PVP吸附苯酚形成PG/PVP共聚物,并进一步与PEI和VP进行双重交联,制备PG/PVP/PEI/V2O5水凝胶。实验结果表明,该水凝胶在溶胀平衡时的溶胀率从37%降至32%,展现出稳定的润滑特性,摩擦系数（COF）随交联程度降低,并在30分钟后保持稳定。涂层的赫兹接触应力从3.25 MPa提升至3.42 MPa,表现出良好的附着力。防污测试显示,PG/PVP/PEI水凝胶涂层对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、小球藻和三角褐指藻的抑制率分别达到99.96%、87.75%、86.60%和54.83%,经VP交联后,对四种典型污损生物的抑制率均超过99%,同时对SS 304不锈钢的腐蚀抑制率提升至63.49%。本研究表明,双重交联水凝胶涂层在海洋防污和防腐方面具有优异性能和良好的机械稳定性,为水凝胶基防污涂层的实际应用提供了新思路。 3.负载群体感应抑制剂的金属有机骨架材料在仿贻贝水凝胶中的应用在金属离子配位交联的基础上,不改变涂层成型方式,将PG/PVP/PEI涂层中提供配位金属离子的VP替换为负载2-（5H）呋喃酮（HF）的2-甲基咪唑锌盐（ZIF-8）金属有机骨架,并对负载前后的ZIF-8进行理化表征,以验证HF的成功负载。实验结果表明,FT-IR、XPS和TGA证实ZIF-8成功负载HF,SEM、HRTEM、BET和XRD分析表明HF在ZIF-8内部形成有效封装,且未破坏其晶体结构。防污实验显示,HF@ZIF-8进一步增强了对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑制效果,最高抑制率分别达到97.28%和97%以上。此外,HF@ZIF-8具有显著的群体感应抑制能力,在0.25 mg/m L的亚生长抑制浓度下即可有效抑制紫色杆菌CV026的色素合成。重构后的PG/PVP/PEI/HF@ZIF-8水凝胶涂层结合了阳极保护和物理屏蔽效应,腐蚀抑制率提高至72.47%,优于PG/PVP/PEI/V2O5涂层（63.49%）。本研究表明,负载HF的MOF材料可显著提升水凝胶涂层的防污、防腐和群体感应抑制性能,为海洋防污涂层的开发提供了新思路。

摘要译文

关键词：

海洋生物污损; 复合水凝胶涂料; 金属有机骨架; 群体感应抑制剂; 协同防污

学位年度：

2025

学位类型：

硕士

学科专业：

材料与化工硕士（专业学位）

导师：

陶文波

中图分类号：

TG174.4[金属表面防护技术]

学科分类号：

080501[材料学];080503[材料加工工程]

D O I：

10.27441/d.cnki.gyzdu.2025.001841