劉建林， 趙德敏， 劉 賽

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院, 山東 青島 266580)

海洋生物黏附力簡(jiǎn)易測(cè)試裝置

劉建林， 趙德敏， 劉 賽

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院, 山東 青島 266580)

測(cè)量海洋生物的黏附力可以為海洋污損生物防除、研發(fā)防水黏結(jié)劑和抗黏附材料提供重要的參考意義。但是目前還沒(méi)有測(cè)量活體生物黏附力的成本低廉的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。該文設(shè)計(jì)一套通過(guò)準(zhǔn)靜態(tài)加載測(cè)量海洋污損生物黏附力的簡(jiǎn)易實(shí)驗(yàn)臺(tái)。本實(shí)驗(yàn)臺(tái)操作簡(jiǎn)單、成本低廉,能夠完成多種海洋生物黏附力測(cè)試且易于推廣到其他力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

海洋污損生物； 黏附力； 實(shí)驗(yàn)裝置； 準(zhǔn)靜態(tài)加載

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手操作能力、科研能力和創(chuàng)新型思維的重要手段[1]。目前,大多數(shù)本科院校的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)主要有:金屬材料的拉伸壓縮實(shí)驗(yàn)和梁的彎曲正應(yīng)力實(shí)驗(yàn)等, 這些實(shí)驗(yàn)僅是基礎(chǔ)知識(shí)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)?；A(chǔ)知識(shí)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)?zāi)艽偈箤W(xué)生對(duì)力學(xué)概念和基礎(chǔ)知識(shí)的理解更加深刻透徹,在一定程度上訓(xùn)練了學(xué)生的觀察能力、動(dòng)手操作能力和分析能力[2-3]。培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題的能力和創(chuàng)新能力是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的主要目標(biāo)[3],但是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)很難達(dá)到這一目標(biāo)。為此,我們?cè)诮虒W(xué)中,積極引入大學(xué)生自主創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。學(xué)生充分利用學(xué)校處于青島這個(gè)海濱城市豐富的海洋資源,以及國(guó)家對(duì)海洋防污的客觀需求,研發(fā)海洋生物黏附力的測(cè)試的實(shí)驗(yàn)臺(tái),并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1 海洋污損生物

海洋生物附著對(duì)海水設(shè)施的污損是人類征服海洋的一個(gè)巨大的障礙[4]。海洋污損生物是指生長(zhǎng)在海里且能附著在船底和海中一切設(shè)施表面的動(dòng)物、植物和微生物的總稱,是影響海洋設(shè)施安全和使用壽命的重要因素之一。它們以很強(qiáng)的黏附力,黏附在船舶、潛艇、海洋平臺(tái)和海底管道等一切水下設(shè)施上。因此,探究海洋污損生物黏附性質(zhì)已成為海洋設(shè)施安全研究的重點(diǎn)[4-6]。不同的海洋污損生物的界面黏結(jié)機(jī)理有著極大的差別[7],生物防污研究只有建立在充分了解這些海洋生物黏附機(jī)理的基礎(chǔ)上才可以真正實(shí)現(xiàn)。海洋污損生物的黏附性質(zhì)也有著對(duì)人類有利的一面，在仿生材料研究領(lǐng)域,利用這一性質(zhì)研制防水黏結(jié)劑和防污生物材料已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)問(wèn)題[7]。目前學(xué)術(shù)界對(duì)于許多生物的黏附力的理論和實(shí)驗(yàn)研究才剛剛起步,尚無(wú)成熟的理論成果,更無(wú)專用儀器用于實(shí)驗(yàn)探究。當(dāng)前物理防污法是工程領(lǐng)域最主要防污損技術(shù),物理防污需要對(duì)破壞污損生物與附著基體之間的黏附作用所需的物理量進(jìn)行預(yù)估,然而目前針對(duì)物理量的測(cè)量技術(shù)欠缺[8]。盡管原子力顯微鏡(AFM)可以實(shí)現(xiàn)生物分子間作用力的直接測(cè)量,但原子力顯微鏡不能以生物活體為測(cè)量對(duì)象,且成本很高[9]。也有力學(xué)傳感器測(cè)試系統(tǒng)檢測(cè)微小土壤黏附力,但力學(xué)傳感器類儀器對(duì)生物活體力學(xué)性能測(cè)量的制樣要求比較高,且精度較高的傳感器很容易在使用過(guò)程中被損壞[10]。因此開(kāi)發(fā)成本低廉且能夠?qū)铙w海洋生物甚至壁虎等其他生物黏附力進(jìn)行測(cè)試的實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)勢(shì)在必行[11]。

2 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)步驟

本實(shí)驗(yàn)裝置主要部分見(jiàn)圖1,主要由底板、力傳感器、懸臂梁、定滑輪、角度測(cè)量器、齒輪傳動(dòng)器、繞繩軸、重物加載輪、沙盒、鋼絲繩以及準(zhǔn)靜態(tài)力加載器等組成。懸臂梁由2根平行的懸臂組成,其中一端通過(guò)中軸將懸臂梁與角度測(cè)量器連接,另一端通過(guò)連接塊將兩根懸臂和一個(gè)定滑輪相連。懸臂梁上沿著兩行子懸臂梁軸線方向平行設(shè)有多組小孔,用于調(diào)節(jié)定滑輪的位置。角度測(cè)量器上沿著圓弧方向每10°也設(shè)有一組的小孔,通過(guò)螺栓將懸臂梁的一端固定在角度測(cè)量器不同的小孔中,用于調(diào)節(jié)懸臂梁和底板的相對(duì)位置。底板上設(shè)有多個(gè)固定孔,可靈活地放置黏附板并進(jìn)行裝夾。力傳感器的上下端各連一根連接線,上端連接線繞過(guò)懸臂梁與齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)上的繞繩軸相連,下端連接線通過(guò)套扣與待測(cè)的黏附物相連,黏附物固定于附著黏附板上。為保證實(shí)驗(yàn)時(shí)鮑魚(yú)的活性,黏附板做成盒狀。力傳感器通過(guò)數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)采集器相連,數(shù)據(jù)采集器連接在電腦上,可實(shí)時(shí)采集力學(xué)數(shù)據(jù)。齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)包括一個(gè)重物加載輪和一個(gè)齒輪組,齒輪組由大小2個(gè)齒輪組成。大齒輪軸同時(shí)為繞繩軸,小齒輪軸通過(guò)齒輪軸和重物加載輪相連。加載輪采用多級(jí)變直徑方式,設(shè)有2個(gè)以上不同半徑的輪片,通過(guò)將沙盒連接在加載輪的不同輪片上,能夠?qū)崿F(xiàn)將不同倍數(shù)沙盒重量的加載力作用于所測(cè)物體上,提高其對(duì)不同數(shù)量級(jí)黏附力實(shí)驗(yàn)的適應(yīng)能力。通過(guò)準(zhǔn)靜態(tài)加載器(附加的泵)向沙盒中緩慢等量加水,加載力從零開(kāi)始均勻而連續(xù)地變化,實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)靜態(tài)加載。如圖1(b)所示,沙盒在重力作用下帶動(dòng)加載輪旋轉(zhuǎn),加載輪通過(guò)傳動(dòng)軸帶動(dòng)小齒輪旋轉(zhuǎn),再通過(guò)齒輪嚙合系統(tǒng)使繞繩軸旋轉(zhuǎn),從而拉緊鋼絲繩對(duì)粘附生物加載,實(shí)現(xiàn)對(duì)黏附力的測(cè)量。調(diào)解懸臂梁和底板的夾角,選擇合適的套扣,還可以測(cè)粘附時(shí)的剪切力。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本實(shí)驗(yàn)?zāi)康?測(cè)量鮑魚(yú)的在玻璃和亞克力兩種板上的黏附力并計(jì)算黏附強(qiáng)度。本實(shí)驗(yàn)材料:鮑魚(yú)黏附生物、玻璃板和亞克力板。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 鮑魚(yú)的黏附實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表1中可以看出,鮑魚(yú)在普通玻璃板上和亞克力板上的黏附強(qiáng)度沒(méi)有明顯差異,可能由于這兩種板的光潔度和親疏水性相近的原因。同一種板的黏附強(qiáng)度的差異主要來(lái)源于后期鮑魚(yú)活性降低,黏附性變差。還可以選取石板和鋼板等其他材料,并考慮材料的親疏水性,對(duì)多尺寸、不同質(zhì)量的鮑魚(yú)、海螺和貽貝進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)，測(cè)量黏附力和剪切力。本裝置還可以拓展小于1 000 N的其他力學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

4 結(jié)語(yǔ)

大學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)可以增強(qiáng)大學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力和創(chuàng)新能力。通過(guò)大學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了測(cè)試海洋生物脫離黏附表面時(shí)黏附力的簡(jiǎn)易實(shí)驗(yàn)裝置。應(yīng)用本裝置從力學(xué)的角度定量測(cè)量海洋污損生物的黏附力和黏附強(qiáng)度,這將促進(jìn)海洋污損生物防除技術(shù)的進(jìn)步，并有利于發(fā)防水黏結(jié)劑和抗黏附材料的研發(fā)。本實(shí)驗(yàn)裝置是一種操作簡(jiǎn)單、成本低廉、體積較小的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),能夠測(cè)量多種海洋活體生物的黏附力和其他活體生物的黏附力。本設(shè)備還可以拓展用于學(xué)生的其他力學(xué)實(shí)驗(yàn)。

References)

[1] 杜成斌, 尚作萍. 依托力學(xué)試驗(yàn)創(chuàng)新基地培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2009,28(4):182-185.

[2] 李建華, 喬箭, 陳亮亮. 材料力學(xué)試驗(yàn)“互動(dòng)式”教學(xué)模式探索[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2013,30(12):181-183.

[3] 吳澤玉, 李玉河, 吳琰玲. 材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革初探[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2007,24(10):361-362.

[4] 馮萬(wàn)亮, 桂亦斌, 周建奇. 生物污損對(duì)艦船的危害及防污新技術(shù)[J]. 四川兵工學(xué)報(bào),2009,30(11):129-132,143.

[5] 陳翔峰, 侯健, 穆振軍, 等.海洋污損生物變化及附著規(guī)律研究[J]. 材料開(kāi)發(fā)與應(yīng)用,2011,26(1): 24-28.

[6] 劉超, 付玉彬, 鄭紀(jì)勇. 環(huán)境友好型防污劑及海洋防污涂料的研究進(jìn)展[J].材料開(kāi)發(fā)與應(yīng)用,2009(8):69-73.

[7] 展咪咪, 李倩茹, 陸琦, 等. 海洋生物表面粘附與仿生功能化.材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2013,31(5):768-774.

[8] 胥震, 歐陽(yáng)清, 易定和. 海洋污損生物防除方法概述及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù),2012(3):192-198.

[9] 王艷霞, 李艷寧, 傅星,等. 原子力顯微鏡在生物力測(cè)量中的應(yīng)用[J]. 微納電子技術(shù),2003(7):228-230.

[10] 楊志強(qiáng), 李建橋, 許亞婷. 微小土壤粘附力測(cè)試系統(tǒng)的研制[J]. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2005(増刊1)：114-117.

[11] 陳少華, 彭志龍. 壁虎粘附微觀力學(xué)機(jī)制的仿生研究進(jìn)展[J]. 力學(xué)進(jìn)展, 2012,32(3):282-293.

Simple testing device for adhesion of marine organisms

Liu Jianlin, Zhao Demin, Liu Sai

(School of Storage and Transportation Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China)

Marine fouling organisms attached to sea water facilities are the important factors affecting the safety and service life of marine facilities. Measuring the adhesion of marine organisms can provide important references for the prevention and control of marine fouling organisms, and the development of waterproof binder and anti-adhesive materials. But at present, there is no experimental equipment for measuring the bio-adhesive capacity of living organisms. A simple experimental rig for measuring the adhesive force of marine fouling organisms by quasi-static loading is designed. The experimental rig is of simple operation and low cost, and can complete the variety of marine biological adhesive tests, which can also be easily used for other mechanics experimental teaching.

marine fouling organism; adhesive force; experimental device; quasi-static loading

10.16791/j.cnki.sjg.2017.05.023

2016-11-13

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11278237)；中國(guó)石油大學(xué)(華東)教學(xué)改革項(xiàng)目(JY-B201430)

劉建林(1977—)男，山東青島，博士，教授，從事微觀仿生力學(xué)研究

E-mail：zhaodemin@upc.edu.cn

趙德敏(1973—)女，河北泊頭，博士，講師，從事納米彈性結(jié)構(gòu)非線性動(dòng)力學(xué)研究.

E-mail：liujianlin@upc.edu.cn

U661.6；G484

B

1002-4956(2017)5-0092-03