[發明專利]一種具有不同尺度溝槽的拓撲結構防污表面的制備方法

有效

• 申請號: 201710229986.3
• 申請日: 2017-04-10
• 公開（公告）號: CN107034470B
• 公開（公告）日: 2019-07-12
• 發明（設計）人: 袁成清;肖勁飛;曹攀;白秀琴;郭智威
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: C23F1/02
• 分類號: C23F1/02;C23F4/00
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 王守仁

本發明公開了一種具有不同尺度溝槽的拓撲結構防污表面的制備方法，其依據表面特殊拓撲結構來制備防止多種生物附著的表面，所述表面特殊拓撲結構是由多種不同大小尺寸的微溝槽構成。本發明能有效降低材料表面能，同時結合表面結構中的各種不同尺寸的微溝槽來防止不同尺寸的微生物附著在船體表面上。

技術領域

本發明涉及防污處理，特別是一種具有不同尺度溝槽的特殊拓撲結構防污表面以及確定表面拓撲結構的尺寸以及其加工工藝。

背景技術

隨著世界貿易的飛速發展，海洋運輸作為全球運輸的重要方式，是經濟發展的重要支柱。長期以來，船舶污損一直困擾著船舶行業的發展，船舶污損一方面會增加船舶表面阻力，同時附著生物也會增加船舶自重，破壞船體表面的減阻措施，降低船舶機動性能并增加燃油消耗，有研究表明，船舶在輕微污損時，其阻力增加11-20％，當船舶發生嚴重污損時，其阻力增加可以達到80％，另一方面污損生物的分泌物會加速船體腐蝕，縮短船舶進塢維修周期，影響船舶運營，同時污損生物會隨遠洋船舶航行到不同地方，有可能造成生物入侵，影響生態環境。

船舶防污的發展很漫長，早期人們使用瀝青、含重金屬離子等進行防污，20世紀有機錫涂料的出現，其具有良好的防污性能，同時有效性長，很快得到了廣泛的應用。但是隨后人們發現有機錫涂料對環境具有極大的破壞性，同時會通過貝類、魚類等經過食物鏈進入人體，影響人體正常發育，因此在1999年，IMO決定在2008年前完全禁止使用有機錫類涂料。

在有機錫涂料被禁用之后，人們開始尋找綠色環保的防污手段。低表面能材料由于其良好的特性，開始被人們研究用于表面防污。材料表面能是材料的一種特性，自然界中一般固體的表面張力比液體大，擁有高表面能的固體容易被液體浸潤，而當固體表面能較低時，固體表面不容易被液體浸潤。“拜耳曲線”揭示了材料表面能和污損附著力之間的關系，污損生物也不容易附著在低表面能表面，即使附著了其附著力會較小，很容易被海水沖刷脫落，這也是污損釋放型涂料的防污原理。

降低材料表面能的方法有很多，主要可以分為兩類，一類是通過在材料表面涂覆涂料，添加改性物質以降低材料表面能，如有機硅和有機氟涂料，將具有低表面能的有機硅和有機氟加入涂料基底之中，能有效降低涂料表面能，使其具備良好的防污性能。另一類是通過表面處理，改變材料表面結構，達到降低材料表面能的效果。根據Wenzel和Cassie方程，即使材料表面接觸角小于90°，通過在其表面刻畫微結構，可以使其獲得疏水或者超疏水效應，這也是表面微結構降低表面能的原理。

目前，歐美等國家學者已開始研究表面結構對于防污的影響，雖然并不是所有粗糙表面具有防污效果，但是普遍研究發現，具有高度規則微結構表面能有效減少污損發生。Scardino 進行了大量的試驗，得出了著名的“附著點理論”，即微觀結構紋理波長小于污損生物寬度時，污損生物附著降低，反之，污損附著增加。因此，使用表面微結構進行防污需要考慮污損生物的尺寸大小，不同尺度的表面微結構對相應尺度污損生物的附著產生影響，通過排列不同尺寸的溝槽，同時結合低表面能，開發具有綜合防污性能的材料是解決海洋生物污損的一個重要途徑。

目前，對于使用表面微結構進行防污的專利不多，而且大多數停留在單一尺寸溝槽防污。專利文獻《一種表面具有十字形規則微結構的防污材料》(公開號CN 102417792 A)介紹了一種具有十字形狀規則微結構的防污材料制備方法，通過等離子體深硅刻蝕來構造十字形圖案微結構。專利文獻《一種自適應微結構防污減阻材料及其制備方法》(公開號CN104044694 A)介紹了一種鋸齒形微溝槽的排列設計與加工方法，使用等離子體在單晶硅上刻蝕，然后用液體硅橡膠覆蓋在單晶硅上固化后得到的。

本發明相比以上發明，圖案由多種不同尺寸組合而成，防污范圍較廣，在材料表面直接采用采用反應離子刻蝕與聚焦離子刻蝕工藝復合加工，一方面反應離子結合化學刻蝕和物理刻蝕，加工的速率較快，但刻蝕的精度不夠，聚焦離子束刻蝕精度極高，可以刻蝕微納米級別溝槽，這兩種方法相互結合，制造的微結構表面是一種綠色環保的防污方法，對船舶和海洋設施實現綠色防污有一定的意義。

發明內容