引言

海洋生物的附着给船舶和海洋设施带来极大的危害,它一方面增加船舶航行阻力,导致航速降低和燃料消耗增加;另一方面加速金属腐蚀,缩短船舶和海洋设施的使用寿命。众所周知,大型海洋动物鲨鱼是海洋中非常凶猛的一种生物,终日生活在海水中,但是其皮肤表面却不附着任何的海生物,并且其捕食时的行进速度非常快。研究发现[1]:其表皮具有特殊的结构,这种特殊结构能够阻止海生物的附着。因此,科学家正在通过仿生的方法,利用化学手段模拟这些表层结构制得涂料,并取得了一定进展。一旦这一技术取得成功,可以为突破目前船舶表面防污材料的瓶颈提供新的技术途径。

1.海洋生物的附着

海洋附着生物多达2000种以上,常见的有50～100种,其中半数以上生活在近海和海湾处,尽管附着形式很复杂,但其附着有一定的规律,即附着生物由细菌膜到形成完整的附着生物群落的污损过程。以钢为例,在海水中的实际污损过程为[2]:

(1)钢在浸入海水之后,在几小时内就有细菌在其表面附着,并以几何基数进行繁殖,在钢表面形成细菌膜。

(2)10～15天后,在钢表面形成大的腐蚀斑块,并会形成由细菌、微型藻类(硅藻)、原生动物和生物孢子等组成的微型生物黏膜。

(3)一般在半年后,大型附着生物的孢子在微型生物黏膜中寄生发育,形成繁殖竞争领地。

(4)浸入海水1年后,污损生物初步形成完整的生物群落。

污损过程初期阶段为细菌膜到微型生物黏膜形成的过程;发展阶段为多种大型污损生物生成繁殖竞争;稳定阶段为稳定生物群落形成。不同材料、不同海域、不同海洋深度,材料的相对稳定状态都会影响到污损过程的各个阶段。

2.鲨鱼表皮结构及其防污机理

鲨鱼皮结构[3]如图1所示。

图1鲨鱼皮结构

鲨鱼皮是由微小的矩形鳞片组成,鳞片为盾鳞,排列紧凑有序,呈齿状,齿尖趋向同一方向,前后相临的鳞片在边缘部位有重叠现象[4],这些微小鳞片及其有序排列,使鲨鱼表面比较光滑;同时鲨鱼表皮分泌黏液,形成亲水低表面能表面,使海洋生物难以附着。根据Dupre推导的公式Wa=γS+γLV×γsL(式中Wa为粘附功;γS为真空下固体的表面能;γLV为液气平衡状态下的表面能;γsL为固液界面自由能),固体表面自由能越低,附着力越小[5]。海洋生物附着初期是通过分泌黏液润湿被附着表面来实现的,黏液对低表面能的表面浸润性差,从而接触角大,难以附着或附着不牢,在水流或其他外力作用下很容易脱落。低表面能防污涂料的防污原理就是模拟大型哺乳动物的低表面能表皮而制成的。

鲨鱼表皮并不是非常光滑的,恰恰相反,其矩形鳞片上附有刺状突起和刚毛,它们有着特殊的排列方式,这种表皮被称为微沟槽(riblets)结构,沟槽顺游动的方向排列也称之为肋条,这种结构会改变鲨鱼游动时皮肤附近的紊流边界层(tur2bulentboundarylayer)中原有的结构与速度分布,因而减小摩擦阻力[6]。关于riblet的减阻机理[7],目前尚没有得到统一的认识,但是,人们普遍认为微沟槽的几何形状是影响其减阻特性最大的因素,Walsh经过大量的试验证明,具有最佳减阻特性的是三角形沟纹(见图2)。米兰大学的Lunchini等认为通过最大化肋条顺流向的突起高度与其沿横向流动方向的突起高度之间的差距,就可以实现优化减阻。因为这样就能使肋条对横向流动的阻抗最大而对纵向流动的阻抗最小。

图2V形肋条结构示意图

3.鲨鱼皮仿生防污研究的进展

根据鲨鱼表皮的特殊结构及其防污机理,目前对于其在海洋仿生物污损方面的研究主要集中在两个方面,即表皮物理结构的模拟和低表面能涂层的研制。经过近十年的研究,取得了一系列的进展。

3.1鲨鱼皮物理结构的模仿

大型海洋生物鲨鱼的表皮一直是研究仿生防污科学家的研究重点和热点。美国佛罗里达大学的材料科学教授布伦南领导一个研究小组,根据鲨鱼防护海底生物附着的原理,研制一种对环境无害的舰艇防护涂层[4](见图3)。结合使用塑料和橡胶材料,复制一种鲨鱼皮,作为防护涂层,它由数十亿个细小的菱形凸起物组成,每个小菱形凸起物里面还有凸起的“肋骨”。在小功率电流作用下,金刚石状图案会发生变化。随着电流变化,表面上的棱可以鼓起或缩回,在船体表面曲来拐去,这一现象是有用的,隆起的运动使积攒的泥沙及船体上的腐质除去,这些泥沙、腐质的聚集往往带来水藻、贝类的繁殖。

图3根据鲨鱼皮结构发明的舰艇防护涂层