[发明专利]一种具有不同尺度沟槽的拓扑结构防污表面的制备方法

说明书

本发明公开了一种具有不同尺度沟槽的拓扑结构防污表面的制备方法，其依据表面特殊拓扑结构来制备防止多种生物附着的表面，所述表面特殊拓扑结构是由多种不同大小尺寸的微沟槽构成。本发明能有效降低材料表面能，同时结合表面结构中的各种不同尺寸的微沟槽来防止不同尺寸的微生物附着在船体表面上。

技术领域

本发明涉及防污处理，特别是一种具有不同尺度沟槽的特殊拓扑结构防污表面以及确定表面拓扑结构的尺寸以及其加工工艺。

背景技术

随着世界贸易的飞速发展，海洋运输作为全球运输的重要方式，是经济发展的重要支柱。长期以来，船舶污损一直困扰着船舶行业的发展，船舶污损一方面会增加船舶表面阻力，同时附着生物也会增加船舶自重，破坏船体表面的减阻措施，降低船舶机动性能并增加燃油消耗，有研究表明，船舶在轻微污损时，其阻力增加11-20％，当船舶发生严重污损时，其阻力增加可以达到80％，另一方面污损生物的分泌物会加速船体腐蚀，缩短船舶进坞维修周期，影响船舶运营，同时污损生物会随远洋船舶航行到不同地方，有可能造成生物入侵，影响生态环境。

船舶防污的发展很漫长，早期人们使用沥青、含重金属离子等进行防污，20世纪有机锡涂料的出现，其具有良好的防污性能，同时有效性长，很快得到了广泛的应用。但是随后人们发现有机锡涂料对环境具有极大的破坏性，同时会通过贝类、鱼类等经过食物链进入人体，影响人体正常发育，因此在1999年，IMO决定在2008年前完全禁止使用有机锡类涂料。

在有机锡涂料被禁用之后，人们开始寻找绿色环保的防污手段。低表面能材料由于其良好的特性，开始被人们研究用于表面防污。材料表面能是材料的一种特性，自然界中一般固体的表面张力比液体大，拥有高表面能的固体容易被液体浸润，而当固体表面能较低时，固体表面不容易被液体浸润。“拜耳曲线”揭示了材料表面能和污损附着力之间的关系，污损生物也不容易附着在低表面能表面，即使附着了其附着力会较小，很容易被海水冲刷脱落，这也是污损释放型涂料的防污原理。

降低材料表面能的方法有很多，主要可以分为两类，一类是通过在材料表面涂覆涂料，添加改性物质以降低材料表面能，如有机硅和有机氟涂料，将具有低表面能的有机硅和有机氟加入涂料基底之中，能有效降低涂料表面能，使其具备良好的防污性能。另一类是通过表面处理，改变材料表面结构，达到降低材料表面能的效果。根据Wenzel和Cassie方程，即使材料表面接触角小于90°，通过在其表面刻画微结构，可以使其获得疏水或者超疏水效应，这也是表面微结构降低表面能的原理。

目前，欧美等国家学者已开始研究表面结构对于防污的影响，虽然并不是所有粗糙表面具有防污效果，但是普遍研究发现，具有高度规则微结构表面能有效减少污损发生。Scardino 进行了大量的试验，得出了著名的“附着点理论”，即微观结构纹理波长小于污损生物宽度时，污损生物附着降低，反之，污损附着增加。因此，使用表面微结构进行防污需要考虑污损生物的尺寸大小，不同尺度的表面微结构对相应尺度污损生物的附着产生影响，通过排列不同尺寸的沟槽，同时结合低表面能，开发具有综合防污性能的材料是解决海洋生物污损的一个重要途径。

目前，对于使用表面微结构进行防污的专利不多，而且大多数停留在单一尺寸沟槽防污。专利文献《一种表面具有十字形规则微结构的防污材料》(公开号CN 102417792 A)介绍了一种具有十字形状规则微结构的防污材料制备方法，通过等离子体深硅刻蚀来构造十字形图案微结构。专利文献《一种自适应微结构防污减阻材料及其制备方法》(公开号CN104044694 A)介绍了一种锯齿形微沟槽的排列设计与加工方法，使用等离子体在单晶硅上刻蚀，然后用液体硅橡胶覆盖在单晶硅上固化后得到的。

本发明相比以上发明，图案由多种不同尺寸组合而成，防污范围较广，在材料表面直接采用采用反应离子刻蚀与聚焦离子刻蚀工艺复合加工，一方面反应离子结合化学刻蚀和物理刻蚀，加工的速率较快，但刻蚀的精度不够，聚焦离子束刻蚀精度极高，可以刻蚀微纳米级别沟槽，这两种方法相互结合，制造的微结构表面是一种绿色环保的防污方法，对船舶和海洋设施实现绿色防污有一定的意义。

发明内容