一种基于生物炭微纳结构的新型海洋防污材料及其制备方法与应用与流程

1.本发明涉及一种基于生物炭微纳结构的新型海洋防污材料及其制备方法与应用，属于海洋防腐与防污技术领域。


背景技术：

2.海洋污损生物指一类附着在船舶等人造结构物上生长的生物物种，主要有藤壶、牡蛎、贻贝、海藻和海洋细菌等，对人造结构物危害巨大。以大型远洋船舶为例，一旦被污损生物附着，巨大的污损附着量不仅增加了船体自重，而且改变了船体的流线型结构，增大了船体的航行阻力，使燃油消耗大幅增加。目前，防止污损生物附着的方法主要有机械清除法、电解海水法和涂装防污涂料法，其中涂装防污涂料是最便捷、应用最广泛的方法，海洋防污材料成为国内外研究机构的研发热点。
3.基于防污剂渗出的防污材料，均存在防污剂在自然环境中释放的问题，开发低表面能防污涂层材料，利用低表面能材料不易粘附的特性，采用有机硅或有机氟聚合物为树脂基料，固化后的涂层具有很低的表面能，海洋生物难以在涂层表面附着或附着不牢固，在水流或外力作用下很容易脱落，这类涂料被称为污损释放型防污涂层材料，是近年来研发的热点。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种工艺简单、低成本、自清洁性能优异、有长期防污效应且适合广泛应用的海洋防污复合材料，以提高涂层的防污性能。
5.本发明提供的基于生物炭微纳结构的海洋防污材料的制备方法，包括如下步骤：
6.s1、将玉米芯生物炭浸泡在过量的硅油中，得到储油的玉米芯生物炭；
7.s2、将形成聚二甲基硅氧烷的预聚物a与固化剂b混合后，加入所述储油的玉米芯生物炭，均匀分散后去除气泡后得到均质的海洋防污复合材料；
8.s3、所述海洋防污复合材料经干燥，或刮涂在模板上经干燥后从所述模板上剥离，即得所述基于生物炭的海洋防污材料；
9.所述模板具有微纳结构。
10.本发明提供的海洋防污材料属于一种仿生型防污材料，其表面具有微纳米规则的突起结构，不仅可以防止海洋生物附着，而且具有很好的减阻性能，从而使污损生物不易在材料表面附着或附着不牢，可达到防污的效果。
11.本发明采用的聚二甲基硅氧烷，是一种疏水类的有机硅物料，具有耐热性和耐寒性，表面张力小。
12.本发明采用的玉米芯是一种天然环保材料，组织均匀，硬度适宜，韧性好，吸水吸油性能好，煅烧制备的生物炭不但具有较高的比表面积和丰富的孔隙结构，而且具有高效的吸附功能。
13.上述的制备方法中，步骤s1中，所述硅油可为二甲基硅油，其粘度为350mm2/s；
14.所述玉米芯生物炭与所述硅油的质量比为1：40～50；
15.所述浸泡的条件如下：
16.在真空干燥箱中常温下干燥至少72h。
17.上述的制备方法中，步骤s1中，所述玉米芯生物炭由玉米芯粉在氮气保护下碳化2～2.2h得到；
18.所述玉米芯粉的粒径为0.1～0.5mm。
19.具体可按照下述方法制备所述玉米芯粉：将玉米芯切成小块，反复超声用去离子水冲洗，在85℃干燥箱中干燥72h；用离心压碎5min，用网径为35～150筛子分离得到玉米芯粉。
20.上述的制备方法中，步骤s2中，所述聚二甲基硅氧烷可为sylgard 184，其中预聚物a(sylgard 184silicone elastomer base)与固化剂b(sylgard 184silicone elastomer curing)的质量比为10：1。
21.步骤s1中，步骤s2中，采用抽真空的方式去除气泡。
22.上述的制备方法中，步骤s2中，所述玉米芯生物炭与所述聚二甲基硅氧烷的质量比例为1：50～150。
23.上述的制备方法中，步骤s3中，所述模板优选为#1000～#2000商业砂纸，具有高度规则且尺寸合适的微观结构，表面的微小生物粘附会大大减小，如#1000商业砂纸，粒径为6.5～13μm；
24.所述干燥在真空干燥箱中进行，先置于真空条件下30～40min，再置于大气压下25～30℃干燥70～72h。
25.本发明上述方法制备得到的海洋防污材料，包括基底层和表面微纳结构层；
26.所述基底层的厚度为3～5mm，所述表面微纳结构层的高度为6.5～13μm。
27.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
28.在材料上，聚二甲基硅氧烷是一种无毒且稳定的材料，玉米芯是一种天然环保材料，每年玉米芯燃烧造成极大的环境问题，在此充分利用到海洋防污方面；在涂层表面结构上，加工得到仿海洋生物表皮的微结构，使污损生物难以附着到涂层表面，利用硅油的缓慢渗出达到防止生物污损的目的。
附图说明
29.图1为本发明实施例1制备的基于生物炭的新型海洋防污材料的实物图。
30.图2为本发明实施例2制备的基于生物炭微纳结构的新型海洋防污材料的实物图。
31.图3为本发明实施例2制备的基于生物炭微纳结构的新型海洋防污材料的结构示意图。
32.图4为本发明实施例1和2采用的玉米芯生物炭的sem图。
33.图5为本发明实施例1制备的基于生物炭的新型海洋防污材料的接触角测试图。
34.图6为本发明实施例2制备的基于生物炭微纳结构的新型海洋防污材料的接触角测试图。
35.图7为本发明实施例1制备的基于生物炭的新型海洋防污材料抗藻粘附结果示图。
elastomer base)与固化剂b(sylgard 184silicone elastomer curing)按照10：1均匀混合，然后与上述得到的储油的玉米芯生物炭分散搅拌至均匀，其中玉米芯生物炭与聚二甲基硅氧烷比例为1：150，将其放置在真空干燥箱内，抽真空去气泡，得到海洋防污复合材料备用。
54.(4)运用刮涂仪，取上述得到的海洋防污复合材料刮涂在商用砂纸模板上，其中商用砂纸模板目数为#1000，粒径为13μm，然后置于真空干燥箱内，先置于真空下30分钟，然后置于大气压下，30℃下干燥72h，得到基于生物炭微纳结构的新型海洋防污材料。
55.图2为本实施例制备的基于生物炭微纳结构的新型海洋防污材料的实物图。
56.图3为本实施例基于生物炭微纳结构的新型海洋防污材料的结构示意图。
57.图6为本实施例制备的基于生物炭微纳结构的新型海洋防污材料的接触角测试图，可以看出，基于生物炭微纳结构的新型海洋防污材料具有很好的疏水性，形成超疏水表面，抑制细菌的粘附，使污损生物更加难以附着到涂层表面。
58.图8为本实施例制备的基于生物炭微纳结构的新型海洋防污材料抗藻粘附结果示意图，可以看出基于生物炭微纳结构的新型海洋防污材料具有良好的防污效果，且冲刷前后(左图和右图)粘附藻数量明显减少。
59.图9为聚二甲基硅氧烷抗藻粘附结果示意图，可以看出聚二甲基硅氧烷样板防污效果较差，且冲刷前后粘附藻数量无明显变化。
60.其中抗藻粘附实验的步骤如下：
61.按照国家标准，将制备好的防污样板悬挂浸泡于浓度为130350000cfu/ml的小球藻液中，置于太阳光充足的温暖位置三天。然后将样板置于荧光显微镜下观察小球藻的附着情况。然后在流速度为61.571m3/s水流下，冲刷防污样板3秒钟，再次将防污样板置于荧光显微镜下观察小球藻的附着情况。为与本发明基于生物炭微纳结构的新型海洋防污材料效果对比，图9为聚二甲基硅氧烷抗藻粘附结果示意图。