抗菌低表面能复合型海洋防污涂料的研究进展

海洋生物污损给海洋工程与装备带来了巨大的困难与挑战,低表面能型海洋防污涂料由于环境友好,近年来已发展成为防污涂料研究与开发的重点。通过在低表面能防污涂料中引入抗菌剂,制备具有复合功能的防污涂料,可进一步提高涂料的综合防污能力。针对该技术背景,首先对海洋防污涂料的技术原理和低表面能防污涂料的研究现状进行了简要介绍,分析了该类型防污涂料的技术优势,同时提出了其静态防污能力差、对细菌型污损生物抗污性能弱的技术短板;然后,围绕低表面能防污涂料抗菌复合改性这一焦点问题,从添加型和结构型2种抗菌复合改性方式入手,分别阐述了各自涂料的适用抗菌剂种类、主要制备方式和改性后涂料综合防污性能的相关研究成果;在此基础上,梳理了以上2类抗菌复合防污涂料存在的问题,并提出了针对性的解决途径;最后,提出了无机抗菌剂、有机抗菌剂和天然抗菌剂应用于防污涂料的未来研究方向,并对抗菌低表面能复合型海洋防污涂料的发展与应用前景进行了展望。     

金属表面新型绿色海洋防污功能膜层的研究进展

海洋中金属设备的生物污损会引起许多问题,如设备的额外能量消耗、高额的维护成本以及严重的金属腐蚀破坏,给海洋工程带来很大损失。在金属表面构建防污膜层是解决其海洋生物污损问题的重要途径。概括了海洋防污膜层的发展历程与金属表面环境友好型防污膜层的研究进展,并重点介绍了新型海洋防污功能膜层及其研究方向。目前,金属表面新型海洋防污膜层的开发主要集中于结构防污和功能防污2个方面。在结构防污方面,在金属表面构建仿生微纳结构,并以低表面能物质修饰,形成超疏水表面,能够显著提高其抗海洋生物附着的能力,达到绿色防污的目的;在功能防污方面,在金属表面制备具有可控释放防污抗菌剂能力的功能膜层,可以实现在环境保护前提下的高效抗菌防污,是未来研究的发展方向。层状双金属氢氧化物(LDHs)和金属–有机骨架(MOFs)材料具有合成物选择多样、微观结构独特的特点,自身具备抗菌能力或负载大量防污抗菌剂的能力,并可实现防污抗菌剂的可控释放,有望成为具有理想抗菌功能的新型海洋防污剂负载材料。     

生物降解高分子基海洋防污材料的研究进展

首先总结了当前四种生态友好海洋防污材料的优缺点,并简要概述了环境友好防污剂的研究进展。接着介绍了一种新颖的防污策略——“动态表面防污”,并综述了基于这一策略发展的系列生物降解高分子基海洋防污材料的研究进展,包括生物降解聚酯-聚氨酯防污材料、改性聚酯防污材料和主链降解-侧链水解的聚酯-聚丙烯酸酯防污材料。该系列材料可通过主链酯键的断裂形成动态表面实现防污,同时降解产物为无毒的小分子,可避免造成海洋微塑料污染,复配环境友好防污剂可构筑具有优异动/静态防污能力的生态友好防污体系。最后展望了高性能防污体系未来的发展方向。     

防海生物污损材料研究现状

舰船长期在海洋中行驶,受到海洋生物的污损,会增加舰船航行的阻力,增加燃油消耗。本文介绍了海生物附着特点和机理以及防海生物污损材料的研究现状。低表面能涂料是当前广泛使用的防污材料,其利用自身表面能低的性质使海生物在舰船上的粘附力下降,进而达到防污损目的。超疏水材料和仿生材料在自清洁、防腐蚀等方面所展示的独特性能,已成为防污损材料领域的研究热点。在综述分析防污材料研究现状的基础上,针对存在的问题和不足,提出了防污损材料今后研究发展方向。     

我国海洋耐蚀防污铜合金研究及其应用

介绍了海洋生物污染的严重问题,特别是海洋工程、钻井、采油平台、舰艇、船舶、军事设施中不能用防污涂料解决的部件,要求其本身具有防海洋生物附着的防污性能。经研究发现,在100多种金属材料中,唯有铜及其合金,新开发的ZCuZn36Mn3Al1Fe1Sn1防污铜合金,制做螺旋桨,具有很好的防污性能,该材料平均溶铜率为14.94ug/(cm·d)。详细介绍了防污铜合金的研究途径,使用情况及存在的问题。     

基于表面微结构复制与润湿性调控的水下仿生防污技术研究进展

海洋生物污损会对人类海洋活动和海洋工业产生诸多不利影响，传统使用有机锡或金属离子杀生剂的防污策略会导致环境污染与生态系统的破坏，大自然生物有机体所展示的天然抗粘附机制为绿色防污材料研发带来新的灵感。受生物表皮物理结构及仿生防污机制启发，本文从生物表皮微结构研究入手，综述了仿生微结构复刻与表面润湿性调控两种水下仿生防生物污损策略的研究进展，并展望其前景。     

船舶表面微结构防污技术研究进展

海洋污损生物对船壳浸水表面的危害十分严重,基于表面微结构的防污技术是一种绿色防污方法,不会对海洋生态环境造成任何危害,近些年来得到了重点研究。文中分析了自然界中多种具有自清洁能力的动植物的表面微观结构特征;总结了表面微观结构防污机理研究方面的进展;阐述了几种现有的微观结构防污理论模型:ERI模型、纳米力梯度模型以及SEA模型。对当前常用的微米级结构、纳米级结构以及微纳复合结构的加工方法进行了综述;分析了目前微结构表面防污性能常用评价方法:实船试验方法、浅海浸泡试验方法、接触角试验方法、附着力测量试验方法以及生物附着试验方法。基于细菌、石莼孢子、硅藻和藤壶金星幼虫等典型海洋污损生物,对表面微结构的防污特性进行了分析,提出深入研究海洋污损生物的附着机理和表面微结构的防污机理,进而建立表面微结构的设计基准。多尺度微纳结构的快速精准加工和完善防污性能评价体系,是表面微结构防污发展中面临的难题和未来发展方向。     

纳米复合海洋防污涂料研究进展

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。     

仿生协同防污涂层的制备及性能

目的 将低表面能、仿生、纳米粒子防污技术相结合,制备出具有仿生协同效应的海洋防污涂层.方法 利用光刻法加工出带有负向形貌的硅板,以低表面能材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)为基体,加入纳米ZnO、仿渗型防污剂苯基甲基硅油(PSO)以及固化剂、分散剂等助剂,经固化倒模,得到表面具有微米级织构的仿生协同效应的海洋防污涂层.通过扫描电子显微镜、X射线能谱仪分析观察涂层的表面形貌及元素分布.通过立体显微镜、红外分光测油仪观察并测定涂层中PSO的渗出速率.通过拉伸试验研究涂层的力学性能.通过接触角测试和硬度测试研究涂层的表观性能.通过抗菌实验研究涂层的防污性能.结果 涂层表面具有规则且完整的微米级织构,由于PSO和纳米ZnO的添加,涂层的疏水性能和力学性能显著提升,10％ZnO含量的涂层具有最佳的力学性能和防污剂释放速率.表面具有圆柱形织构的协同防污涂层的抗细菌粘附效果最好,其细菌粘附率减少了90％.结论 该仿生协同防污涂层相比单一原理防污涂层具有更为优异的防污效果,通过纳米ZnO的加入调控了防污剂PSO的渗出速率,延长了涂层的使用期效,且不会对环境产生污染,具有良好的发展前景.     

灌注液体型防污表面研究进展

生物污损已成为海运业面临的重大技术难题,构筑绿色防污表面是环保法规日益严格形势下,解决海洋生物污损的重要手段.基于猪笼草仿生的液体灌注型防污表面是近年来研究的焦点问题,具有广阔的应用前景.总结了仿生液体灌注型超滑表面的设计机理,重点介绍了基底粗糙多孔结构的制备工艺和粗糙结构尺度对于表面稳定性的影响.总结了仿生液体灌注型超滑表面的设计机理,重点介绍了粗糙多孔结构的制备工艺和结构尺度对于液体层稳定性的影响.研究表明,纳米孔隙结构提供的强大毛细作用力是形成稳定液体层的关键.分析了润滑液的选择种类与依据,对于海洋防污领域,绿色环保且价格相对低廉的润滑液将是较好的选择.阐述了基底化学改性的手段以及通过化学反应使润滑液与基底形成共价键的超滑表面制备.同时,介绍了润滑液注入工艺和油膜检测手段等制备过程中不可忽略的问题.总结了灌注液体型表面在海洋防污领域的研究进展,以及应用过程中存在的问题,同时展望了灌注液体型表面在防污领域应用的发展趋势.探索环保高效、具有经济性的灌注液体型涂层将会是其在防污领域大规模应用的发展方向.     

聚合物材料表面耐磨性能提升用非晶碳基薄膜的研究进展

硬度低、耐磨性能差等固有缺点已成为限制聚合物材料在一些苛刻环境中工业应用的重要因素。为了改善表面硬度和耐磨性能,多种表面改性技术被用于聚合物材料的耐磨防护,其中在聚合物材料表面制备一层非晶碳薄膜被认为可有效提高材料表面硬度和耐磨性能。综述了聚合物材料表面耐磨性能提升用非晶碳基薄膜的研究进展,分析了非晶碳基薄膜在聚合物材料表面膜基结合强度不足的本质原因,聚合物材料与非晶碳薄膜两种材料在结构和性质上的不匹配使两者之间的突变界面在载荷作用下极易发生失稳,造成了膜基结合强度的不足。探讨和对比了目前常用于改善非晶碳基薄膜在聚合物材料表面膜基结合强度的改性技术。其中,利用等离子体对聚合物材料表面进行处理,可以诱导材料表面有机碳质结构向无机碳质结构的逐渐转变,使非晶碳薄膜在聚合物材料表面获得可靠结合强度。利用等离子体处理法可以在聚合物基体表面构建原位转变层,原位转变层通过化学键的形式,为非晶碳薄膜在基体表面获得了可靠的膜基结合强度,有效提高了聚合物材料表面的硬度和减摩耐磨性能。     

复合电沉积过程中的界面调控和界面结合研究进展

复合电沉积是一种获得功能镀层的表面防护技术。概述了界面调控与界面结合对复合镀层性能的重要影响。分析了提高界面结合能力的主要机理与方法，即:通过基体表面改性，如增加基体表面粗糙度、提高反应活性、提供外延生长条件和形成预镀层或转化膜层等，增强镀层与基体之间的机械结合、化学键合作用，进而提高镀层与基体间的界面结合力;通过颗粒改性，包括颗粒表面清洁、修饰与吸附等，以改变颗粒微观结构形态和荷电状态，利用静电机制、空间位阻机制和电胶束空间等理论来增强颗粒与颗粒间的分散能力、颗粒与金属离子间结合能力和颗粒所受电化学作用力等，从而提高颗粒与镀层之间的异质相界面结合能力。鉴于镍基复合电沉积的重要性以及颗粒改性对提高其界面结合的关键作用，综述了其颗粒改性工艺研究和影响，包括细化镍基复合镀层晶粒、改变颗粒表面接触状态、增加颗粒沉积量与其对镍基复合镀层性能的影响。最后对复合电沉积的界面调控和界面结合研究做了总结，指出现阶段还存在的问题，并展望了复合电沉积技术在界面调控和界面结合方面的研究发展方向。     

稀土表面改性在改善高温抗氧化和耐蚀性方面的应用

稀土元素具有特殊的电子结构,对材料表面有着优异的改性潜力,在表面工程技术领域具有良好的应用前景.本文综述了在化学热处理、激光熔覆、离子注入、真空等离子体镀膜、热喷涂等技术中,稀土元素对工艺过程的影响和提高材料表面改性层高温抗氧化及耐腐蚀性能的效果.初步探讨了稀土元素在改性层中的作用机理.作者认为,稀土元素的微合金化作用,改变改性层中第二相或夹杂物的形态与性能,使改性层组织细化和结构因素,是稀土元素改善材料表面改性层高温抗氧化和耐腐蚀性能的主要原因.     

光催化型超疏水自清洁涂层研究现状

光催化型超疏水自清洁涂层是在超疏水涂层的基础上通过物理、化学方法复合光催化材料获得光催化性能，使涂层可以在光照作用下将有机附着物进行分解并通过超疏水表面达到自清洁的效果。本文对国内外光催化型超疏水自清洁涂层的构建方式进行总结，将其归纳为表面构造法、共混法、包覆法3类，构造方法的不同对涂层性能的影响方面也有所区别。与单一功能的超疏水涂层相比光催化型超疏水自清洁涂层更能解决实际应用中所面临的问题。此外，本文对光催化型超疏水自清洁涂层的相关性能进行了横向对比，对影响涂层性能较为关键的耐久性能进行了整体的整理分析，并归纳了目前研究当中的光催化型超疏水自清洁涂层的机械耐磨性、耐腐蚀性、耐冲击性和自愈性能，分析了其耐久性提升机制。最后，对光催化型超疏水自清洁涂层未来的应用前景进行了展望，建议从超疏水-光催化协同作用机制、基底结合强度提升、成本控制和复合涂层自修复等方面对光催化型超疏水自清洁涂层进行研究。     

钛合金表面激光熔覆陶瓷涂层的研究进展

针对钛合金在实际应用过程中存在硬度低、耐磨性差、高温易氧化以及生物活性低等问题,国内外学者利用陶瓷材料较高的硬度、优异的耐磨性和高温抗氧化性能的特点,以及激光熔覆技术可以实现涂层与基材的冶金结合,较高的冷却速率使涂层内部晶粒得到细化的优势,开展了钛合金表面激光熔覆陶瓷涂层的广泛研究。首先简要概括了钛合金表面激光熔覆陶瓷材料的特点,介绍了在激光熔覆过程中常见的陶瓷材料以及所具备的特殊性能。从陶瓷涂层制备方式和陶瓷材料体现的功能两个方面,综述了国内外的研究特点、现状和进展。对比分析了激光制备纯陶瓷涂层、激光制备陶瓷与金属合金复合涂层、激光原位合成陶瓷复合涂层、激光制备陶瓷梯度涂层的优缺点。介绍了在钛合金表面激光熔覆耐磨涂层、高温抗氧化涂层、耐蚀涂层和生物涂层的进展,分析了陶瓷材料在提高相关性能时所发挥的作用。最后针对钛合金表面激光熔覆陶瓷材料存在的问题,对钛合金表面激光熔覆陶瓷涂层未来的发展趋势进行了讨论与展望。     

生物医用镁合金表面改性涂层研究进展

镁合金凭借其优异的生物安全性、良好的载荷传递性及独特的降解性,在医用植入领域表现出巨大的应用潜力和发展前景。然而镁合金在生理环境下的腐蚀溶解速率过快,导致材料力学性能衰减加速进而过早失效。表面改性作为镁合金耐蚀性能提升的重要途径,不仅能通过表层物理屏障的形成来减缓金属材料的溶解速率,还能抑制合金内部腐蚀电偶反应的强烈程度及调控其生物相容性。概述了典型表面改性工艺的技术优势,包括涂层在合金表面的多覆盖度、高膜层厚度、强附着力以及良好生物相容性等。同时归纳了几种表面改性工艺所存在的问题,包括较差的长期耐蚀性、低应力承受能力以及技术安全性等。在此基础上,重点综述了近年来镁合金表面改性涂层的最新研究动态,其中简要介绍了化学转化、微弧氧化、等离子喷涂等几种常见的表面改性涂层形成机制。系统阐述了涂层对镁合金降解过程和生物相容性的影响规律,以及部分元素或粒子对涂层微观结构以及生物性能的作用机理。最后展望了医用镁合金表面改性涂层的发展方向。     

铝合金表面沉积类金刚石薄膜的研究进展

类金刚石(Diamond-like Carbon,DLC)薄膜因其高硬度、良好的化学惰性以及优异的摩擦性能等优势,有望成为一种理想的铝合金表面防护涂层。对比了物理气相沉积(Physical vapor deposition,PVD)技术制备DLC改性材料与传统铝合金表面改性技术的优劣,概述了DLC薄膜在提升铝合金表面力学性能、减摩抗磨方面取得的最新成果,以及在复杂服役工况下面临的抗塑性变形差、易发生结合失效等瓶颈性问题。通过分析铝合金基体上生长高性能DLC薄膜的不利因素,指出界面化学结合强度低、薄膜残余应力大以及软基体/硬质薄膜的结构体系限制是导致上述问题产生的主要原因。在此基础上,重点综述了国内外研究学者为提高铝合金表面沉积DLC薄膜的膜基结合力所采取的有效措施及结果,包括:通过基体前处理增强基体力学性能与改善宏观表面缺陷;采用PVD或其他表面处理方法制备一层或多层的中间过渡层,缓解DLC薄膜与铝合金基体结构、性能之间的差异;调控DLC薄膜组分与结构以降低残余应力。最后展望了在铝合金基体表面制备DLC防护薄膜的发展趋势。     

多巴胺表面修饰在医疗领域的研究进展

多巴胺(DA)及其聚合物聚多巴胺(PDA)含有邻苯二酚基团、氨基等大量活性官能团,使其具有良好的黏附性、生物相容性、反应活性和还原性,被广泛用于医疗器械材料、船舶材料、传感器件材料、药物运输等材料表面的改性,其中对医疗器械材料表面的修饰研究前景尤为广阔。分析了多巴胺的理化特性及相关功能,归纳了多巴胺在生物工程材料上的应用,包括增强材料的骨组织再生能力和提高材料表面细胞的黏附、增殖等。在此基础上,重点综述了近年来多巴胺在医疗领域的改性研究进展,其中多巴胺对骨修复及骨移植材料的修饰包括复合材料和高分子材料等,多巴胺对牙种植体及牙修复材料的修饰包括纳米金属材料和合金材料等,多巴胺对新型医疗材料的修饰包括人工血管、人工韧带材料和医用膜材料等。阐述了改性材料的优缺点和作用,以及多巴胺如何对材料表面进行改性来弥补材料的缺陷。针对不同材料的多巴胺改性,分别从制备方法、实验对比结果等方面进行归纳。最后展望了多巴胺表面修饰技术的发展方向。     

Characterization and processing of spray-dried zirconia powders for plasma spray application

The correlation between the performance of plasma spray coatings and feedstock powder properties is not fully understood. To demonstrate this correlation, eight spray-dried zirconia powders containing a mass fraction of 20% Y₂O₃ (yttria) were characterized with respect to their physical, bulk chemical, and surface chemical properties. The same powders were plasma spray deposited as coatings, and their relative performance was evaluated using a thermal rupture test developed by Pratt and Whitney. The specific powder properties studied were chemical composition, binder content, particle size distribution, powder morphology, interface chemistry, thermogravimetry, phase composition, and specific surface area. Among the characterization data, the binder-related properties of the powder correlated most strongly with the thermal rupture test data. Specifically, higher binder contents were associated with poor thermal rupture test performance.     

基于动态表界面调控的智能光学材料研究进展

智能光学材料是在外场刺激下可实现色彩、透明度或光的传输方向等光学性质改变的材料,在显示、防伪、传感、隐身等领域具有重要的应用价值。与传统化学变色机制不同,基于动态表界面的智能光学材料,即利用其表面或界面微纳结构的变化对光散射、干涉或衍射的调控来实现光学性质的改变,具有更优异的循环稳定性和环境友好性。首先介绍了自然界中基于动态表界面的变色现象,然后根据调控机制,概括了基于动态表界面的智能光学材料的2种类型(动态表面调控、动态界面调控)。根据表面结构类型,详细介绍了动态表面调控的3种类型(微纳阵列型、表面褶皱型和表面裂纹型);然后介绍了基于动态界面的3种途径(新界面动态形成、界面结构参数调控、表界面复合调控)。在此基础上,归纳总结了表界面微纳结构动态调控的驱动方式,并特别指出几种新型的可控驱动方式。最后,展示了基于动态表界面智能光学材料在显示、防伪、传感器等领域的应用前景。旨在为新型基于动态表界面智能光学材料的设计和工程化应用提供借鉴。