張歡歡 趙 穎

(中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院 人體組織與器官退行性研究中心 深圳 518055)

1 引 言

隨著海洋經(jīng)濟的不斷發(fā)展，海洋油氣平臺、海底管線、船舶運輸、跨海大橋等海工裝備設(shè)施不斷增加。而在海水中，金屬構(gòu)件表面通常會被黏附上大量的微生物，使其不可避免地受到海洋微生物腐蝕的威脅，導(dǎo)致金屬構(gòu)件服役性能下降、使用壽命降低和維護成本增加等嚴(yán)重問題[1]。近年來關(guān)于海工鋼腐蝕失效的報道越來越多，其中 20% 的腐蝕由微生物活動引起[2]。微生物腐蝕給海洋資源開發(fā)與利用造成了巨大的阻礙[3]。

研究表明，材料表面生物膜的形成是微生物腐蝕發(fā)生的關(guān)鍵[3]。目前預(yù)防和減少海洋微生物腐蝕最經(jīng)濟、有效的方法是采用涂料涂層，其中利用涂層的超疏水性能來抑制浮游微生物的附著以及細菌生物膜的形成，進而有效緩解由微生物導(dǎo)致的腐蝕被廣泛報道。在超疏水涂層中，具有特殊黏附性能的功能化涂層已經(jīng)引起研究者的廣泛關(guān)注[4-7]。研究發(fā)現(xiàn)，表面形貌(粗糙度)和化學(xué)成分決定了水滴在超疏水涂層表面的黏附性能[8-9]。根據(jù)水滴在其表面黏附性能的高低，超疏水表面可分為低黏附超疏水表面(以“荷葉”為代表[10-11])和高黏附超疏水表面(以“玫瑰花瓣”為代表[12])。雖然已經(jīng)有學(xué)者研究對比了低黏附和高黏附超疏水涂層的腐蝕防護作用，但關(guān)于低黏附和高黏附超疏水表面對細菌行為影響的對比研究尚未見報道。銅綠假單胞菌(Pseudomonas aeruginosa，P. aeruginosa)系革蘭氏陰性桿菌，屬好氧型細菌，其在代謝過程中會排出有機酸、CO2和 SO42－，是海洋中常見的腐蝕性細菌。研究表明，P. aeruginosa 是一種能夠形成生物被膜的典型菌種，能加速碳鋼、不銹鋼等多種材料的腐蝕。本研究通過調(diào)控聚脲醛納米顆粒(PUF NPs)的比例，獲得具有不同黏附性能的氟硅共聚物體系的超疏水涂層。系統(tǒng)地研究高黏附性超疏水涂層和低黏附性超疏水涂層的表面形貌、潤濕性及防腐和抑菌(P. aeruginosa)行為，并討論其防腐、抑菌機理。

2 材料和方法

2.1 涂層制備

本研究利用氟硅(FSiAC)共聚物作為低表面能組分，采用聚脲醛納米顆粒(PUF NPs)構(gòu)建粗糙結(jié)構(gòu)來制備超疏水涂層。所需原料為甲基丙烯酸十二氟庚酯(FMA)、丙烯酸丁酯(BA)、甲基丙烯酸縮水甘油酯(GMA)、γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(KH570)，以上原料均通過減壓蒸餾后待用，甲基異丁基甲酮(MIBK)和偶氮二異丁腈(AIBN)經(jīng)無水 MgSO4干燥后使用。FSiAC 共聚物具體合成路線如圖 1(a)所示，隨后利用乙酸丁酯和乙腈為溶劑，將共聚物與 PUF NPs 混合均勻獲得氟硅共聚物體系的超疏水涂料。實驗所用基體材料為海工鋼 Q235 鋼，化學(xué)成分(wt. %)為：C 0.42～0.50，Si 0.17～0.37，M n 0.5 0 ～0.8 0，P ≤0.0 4 0，S ≤0.0 4 5，Cr≤0.25，Ni≤0.25，Cu≤0.25，F(xiàn)e 余量；密度為 7.85 g/cm3。將材料加工成尺寸為 10 mm×10 mm×3 mm 的試樣。采用噴槍將氟硅共聚物體系的涂料噴涂在 Q235 鋼表面制備超疏水涂層。通過調(diào)整 PUF NPs 比例，獲得 A 和 B 兩種涂層，其中涂層 A：0.7 g PUF NPs＋3.5 g FSiAC＋14 mL 乙酸丁酯＋16 mL 乙腈；涂層 B：1.5 g PUF NPs＋3.5 g FSiAC＋14 mL 乙酸丁酯＋16 mL 乙腈。噴涂前分別采用 400#、800#、1200# 的 SiC 砂紙打磨 Q235 試樣表面，并用無水乙醇進行超聲波清洗，N2吹干。涂層制備如圖 1(b)所示，于室溫下固化得到涂層，備用。本研究所采用細菌為海洋環(huán)境的典型細菌銅綠假單胞菌(P. aeruginosa，1A00099)，源自中國海洋微生物菌種保藏管理中心(MCCC)。將銅綠假單胞菌的凍存菌種接種于 2216E 營養(yǎng)瓊脂表面，在 37 ℃ 培養(yǎng) 24 h，連續(xù)培養(yǎng)兩代后經(jīng)形態(tài)學(xué)鑒定沒有雜菌種即可作為試驗菌種。

2.2 涂層的表征

采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡(Field Emission Scanning Electron Microscopy，F(xiàn)E-SEM；Zeiss, Germany)表征涂層的形貌。測試前，涂層表面噴鉑(Pt)以增加其導(dǎo)電性能。采用激光共聚焦顯微鏡(VK-X200，基恩士，日本)表征涂層的三維立體形貌及粗糙度。接觸角 θ 是衡量涂層靜態(tài)潤濕性能的指標(biāo)[13]，而滾動角 α 可表征涂層的動態(tài)表面潤濕性能[14]。本研究采用光學(xué)接觸角測量儀(OCA20, Germany)測量室溫下水滴(3 μL)在涂層表面的接觸角和滾動角，在每個樣品表面的 5 個不同位置分別進行測試，取其平均值。

2.3 涂層抑制細菌黏附性能

將 P. aeruginosa 的單個菌落通過平板劃線法接種到新鮮的 2216E 營養(yǎng)瓊脂平板上，在 37 ℃ 電熱恒溫箱內(nèi)培養(yǎng) 24 h，隨后將菌種刮下并接種于磷酸緩沖鹽溶液(Phosphate Buffered Saline，PBS)中。實驗測試溶液為含 P. aeruginosa 的 PBS 溶液，其中濃度為 107CFU/mL。

圖1 氟硅低表面能共聚物合成路線(a)及超疏水涂層制備示意圖(b)Fig. 1 Schematic diagram of synthetic FSiAC copolymer(a)and the schematic diagram of the preparation of superhydrophobic coating(b)

本研究采用結(jié)晶紫法評價涂層抑制細菌黏附的性能。實驗組為涂覆有涂層的 Q235，對照組為 Q235 基體。實驗前，先采用 75% 酒精對樣品滅菌 15 min，隨后再將樣品暴露在紫外光下滅菌 30 min。將所有樣品置于 24 孔板中，吸取 100 μL 細菌濃度為 107CFU/mL 的 PBS 溶液，并將其滴加在樣品表面靜置 30 min，隨后貼壁加入 900 μL 無菌 PBS，使樣品完全浸沒在 1 mL 的溶液中。在 37 ℃ 恒溫培養(yǎng)箱中孵育 4 h 后，用無菌水輕輕漂洗兩次，以洗去材料表面的浮游細菌。采用福爾馬林溶液對樣品表面的生物膜進行固定(15 min)，隨后用無菌水輕輕漂洗樣品。然后滴加 1 mL 的結(jié)晶紫溶液于樣品表面，孵育 30 min。染色結(jié)束后，用無菌水輕輕漂洗樣品表面的染色液(2 遍)，待樣品干燥后拍照。觀察結(jié)束后，將樣品放入 24 孔板，加入 33% 的乙酸溶液 1 mL，溶解 5～10 min，隨后取浸泡溶液測試其吸光度(Optical Density，OD)值，其中測試波長為585 nm。涂層的抑菌率可由公式(1)計算：

其中，η 為抑菌率(%)；Nc和 N 分別為來自對照組和實驗組的平均 OD 值。

2.4 涂層的防腐性能

采用電化學(xué)工作站(Zahner Zennium, Germany)評價涂層的耐腐蝕能力。測試采用標(biāo)準(zhǔn)三電極體系。其中，輔助電極為 Pt 片(20 mm×20 mm)，參比電極為 Ag/AgCl 飽和 KCl 電極。將 Q235 試樣背面焊接導(dǎo)線并采用環(huán)氧樹脂封裝除工作面積外的部分作為工作電極備用。測試溶液為 3.5% 的 NaCl 溶液，測試溫度為 25 ℃。

首先將測試樣品在 3.5% NaCl 溶液中浸泡30 min，待開路電位(Open Circuit Potential，OCP)穩(wěn)定后，進行電化學(xué)阻抗譜(Electrochemical Impedance Spectroscopy，EIS)測試。電化學(xué)工作站的參數(shù)設(shè)置如下：擾動電壓 20 mV(vs. OCP)，測試頻率為 100 000～0.1 Hz。為防止外部環(huán)境中的電磁信號對測試帶來干擾而引起測試數(shù)據(jù)的波動和偏差，測試在 Faraday 屏蔽箱中進行。采用 Zsimp Win 軟件分析電化學(xué)阻抗測試結(jié)果。極化曲線測試掃描范圍為－0.3～0.5 V (vs. OCP)，掃描速率為 5 mV/s，借助塔菲爾(Tafel)陰極擬合得到腐蝕電流密度。

3 實驗結(jié)果

3.1 涂層的表征

涂層的接觸角 θ 和滾動角 α 如圖 2 所示，涂層 A 的靜態(tài)水接觸角為 160°，滾動角小于 10°；涂層 B 的靜態(tài)水接觸角為 158°，翻轉(zhuǎn)樣品水滴也未滾落，滾動角為 175°。這說明涂層 A 對水滴的黏附性較差，屬于低黏附超疏水表面，而涂層 B 對水滴有很強的黏附性，與玫瑰花瓣具有類似性能，屬于高黏附超疏水表面。

圖2 涂層接觸角 θ 及滾動角 α 測試結(jié)果Fig. 2 The contact angles and sliding angles of the superhydrophobic coatings with diあerent water adhesion

采用 FE-SEM 觀察涂層表面形貌，其中圖 3(a)為低黏附超疏水涂層，圖 3(b)為高黏附超疏水涂層。兩種涂層表面均呈現(xiàn)粗糙多孔的納米結(jié)構(gòu)，相比之下，高黏附超疏水涂層的微米級孔洞更多。圖 4 為涂層的 3D 共聚焦測試結(jié)果，兩種超疏水涂層表面均呈現(xiàn)高低不平的粗糙形貌。測試結(jié)果表明，低黏附超疏水涂層的粗糙度 Ra為 2.12 μm，高黏附超疏水涂層的粗糙度 Ra為 5.02 μm。

3.2 涂層抑制細菌附著能力

圖3 涂層表面 FE-SEM 形貌Fig. 3 FE-SEM surface morphologies of the coatings

圖4 涂層表面的激光共聚焦圖像：(a, b)低黏附超疏水涂層；(c, d)高黏附超疏水涂層Fig. 4 Laser scanning confocol microscope images of the coatings: (a, b) low-adhesion superhydrophobic coating; (c, d) high-adhesion superhydrophobic coatings

結(jié)晶紫染色結(jié)果如圖 5(a)所示。從圖 5(a)可以看出，對照組 Q235 鋼表面紫色最深，表明基體表面黏附了大量的細菌；而涂覆涂層后，高黏附超疏水涂層和低黏附超疏水涂層表面紫色依次變淺，表明涂層表面的細菌黏附量減少，且低黏附超疏水涂層表面黏附細菌量小于高黏附超疏水涂層。隨后對結(jié)晶紫染色的樣品進行定量測試，結(jié)果如圖 5(b)所示：低黏附超疏水涂層表面黏附的細菌量顯著少于高黏附超疏水涂層。計算抑制細菌黏附率可知，高黏附超疏水涂層的抑制細菌黏附率為 37.8%，低黏附超疏水涂層的抑菌率為 70.3%。與高黏附超疏水涂層相比，低黏附超疏水涂層具有更突出的抑制細菌黏附性能。

圖5 結(jié)晶紫實驗結(jié)果Fig. 5 Crystal violet staining results

3.3 涂層的防腐性能

涂覆涂層的 Q235 樣品在 3.5% NaCl 溶液中浸泡 30 min 后的阻抗譜圖如圖 6 所示。從奈奎斯特圖(Nyquist)(圖 6(a))可以看出，與對照組相比，涂覆高黏附超疏水涂層后樣品的容抗弧半徑減小，而涂覆低黏附超疏水涂層的容抗弧半徑顯著增大，耐腐蝕表現(xiàn)依次為低黏附超疏水涂層＞對照組(Q235)＞高黏附超疏水涂層。從電化學(xué)波特(Bode)圖(圖 6(b))可以看出在低頻率(0.1 Hz)下，低黏附超疏水涂層的阻抗模值也大于高黏附超疏水涂層及對照組 Q235 鋼，表明低黏附超疏水涂層具有優(yōu)異的耐腐蝕能力。采用 ZsimpWin 擬合軟件對 EIS 測試結(jié)果進行擬合，等效電路如圖 6(c, d)所示，其中 Rs為溶液電阻，Rct為電荷轉(zhuǎn)移電阻，Rc為涂層電阻，電極和溶液之間的雙電層電容非純電容，因此用常相位角元件 Q 表示，擬合數(shù)據(jù)誤差值均小于 10%。擬合參數(shù)列于表 1。

從表 1 可知，不同樣品的 Rct分別是：對照組 Q235 鋼為 1 314.5 Ω·cm2，高黏附超疏水涂層為 659.7 Ω·cm2，低黏附超疏水涂層為 3 517.5 Ω·cm2。此外，低黏附超疏水涂層電阻 Rc(847.35 Ω·cm2)顯著大于高黏附超疏水涂層電阻 Rc(6.47 Ω·cm2)。結(jié)果表明，本研究制備的低黏附超疏水涂層能顯著提高 Q235 鋼的耐蝕性能，而高黏附超疏水涂層對 Q235 沒有防護性能，甚至加劇其腐蝕。

不同樣品在 3.5% NaCl 溶液中浸泡 30 min 后的動電位極化曲線如圖 6(e)所示，擬合結(jié)果列于表 1。從 6(e)可知，與對照組相比，Q235 鋼表面涂覆低黏附超疏水涂層后，極化曲線向左偏移，表明樣品耐腐蝕性能增強；Q235 鋼表面涂覆高黏附超疏水涂層后，極化曲線向右偏移，表明樣品耐腐蝕性能降低。從表 1 可知，Q235 鋼的腐蝕電流密度(icorr)為 6.52 μA·cm－2，低黏附超疏水涂層樣品的 icorr為 0.27 μA·cm－2，高黏附超疏水涂層樣品的 icorr為 12.08 μA·cm－2。以上結(jié)果表明，低黏附超疏水涂層具有優(yōu)異的防腐能力，能顯著提高 Q235 鋼的耐蝕性能，而高黏附超疏水涂層對 Q235 的腐蝕沒有防護性能，甚至加劇其腐蝕，這與電化學(xué)阻抗測試結(jié)果一致。

圖6 樣品電化學(xué)測試結(jié)果：(a)電化學(xué)阻抗譜 Nyquist 圖；(b)電化學(xué)阻抗譜 Bode 圖；(c, d)等效電路圖；(e)極化曲線Fig. 6 EIS Nyquist results (a) and Bode results (b), equivalent circuit models (c, d) and potentiodynamic polarization curves (e) of superhydrophobic coatings with diあerent water adhesion

表1 電化學(xué)阻抗譜和極化曲線測試擬合結(jié)果Table 1 Fitting parameters of EIS and potentiodynamic polarization curves for superhydrophobic coatings with different water adhesion

4 討論與分析

本文通過調(diào)整 PUF NPs 在涂層中所占比例調(diào)控其表面黏附性，結(jié)果顯示當(dāng) PUF NPs 所占比例由 16.6%(涂層 A)上升至 30%(涂層 B)時，涂層由低黏附性超疏水表面轉(zhuǎn)變?yōu)楦唣じ叫猿杷砻妗＜す夤簿劢箿y試結(jié)果表明，高黏附超疏水涂層的表面粗糙度大于低黏附超疏水涂層，這是由于與低黏附超疏水表面相比，除了具有一些微米級的孔洞凹槽，高黏附超疏水表面還具有許多納米級凸起。對以“花瓣效應(yīng)”為代表的高黏附超疏水表面，其表面潤濕性可用 Cassie 浸滲模型[12]來解釋。圖 7(a)所示為水滴在 Cassie 浸滲模式下的示意圖。在這種模式下，大的凹槽被液體浸潤，而小的納米級凸起則會把液體頂起。因此，可以對高黏附超疏水涂層的潤濕性做出以下解釋：一方面，由于樣品表面納米級粗糙凸起的存在，水滴被這些凸起頂起來，呈現(xiàn)比較完美的球形，因此樣品呈現(xiàn)出很好的疏水性能，水接觸角大于 150°；另一方面，由于樣品存在微米級孔洞，液體“陷進”孔洞里被牢牢“抓”住，由于微米-納米結(jié)構(gòu)的復(fù)合作用，這種表面顯示出對水滴高的接觸角和很強的黏附性[15-16]，使樣品本身呈現(xiàn)出類似玫瑰花瓣的高黏附超疏水性能。對于高黏附超疏水涂層，水滴可以完全填充表面的空隙，導(dǎo)致空氣膜層消失，使腐蝕溶液與表面最大限度的接觸。此條件下，涂層作為物理防護阻隔金屬與腐蝕性介質(zhì)的接觸。鑒于涂層的多孔性，有些腐蝕性介質(zhì)甚至可以直接接觸到金屬基體，導(dǎo)致“大陰極、小陽極”形成[17-18]，促使金屬發(fā)生局部腐蝕，因此高黏附超疏水涂層對金屬基體的腐蝕并沒有防護性能，甚至加劇金屬腐蝕。與高黏附超疏水涂層不同，以“荷葉效應(yīng)”為代表的低黏附超疏水表面[4]的潤濕性可由 Cassie-Baxter 模型來解釋。如圖 7(b)所示，水滴并未將固體表面完全潤濕，而是在固液交界面截留了一些空氣氣囊，這層“空氣墊”不僅可以很好地阻隔液體與基底金屬的接觸，同時也隔絕金屬基體與空氣的接觸，從而使超疏水涂層具有優(yōu)異的耐腐蝕性，對基底金屬起到良好的保護作用。因此，本文制備的低黏附超疏水涂層表現(xiàn)出比高黏附超疏水涂層更優(yōu)的腐蝕防護性能。類似地，Cui 等[4]研究發(fā)現(xiàn) SiO2體系的低黏附超疏水涂層的耐蝕性能顯著大于高黏附超疏水涂層。Li 等[5]采用激光燒蝕法和硬脂酸改性制備的低黏附超疏水涂層的耐蝕性能也優(yōu)于高黏附超疏水涂層。

圖7 超疏水表面 Cassie 浸滲模型(a)和 Cassie-Baxter 模型(b)Fig. 7 The Cassie impregnating state (a) and Cassie-Baxter state (b) of superhydrophobic surfaces

此外，本文研究發(fā)現(xiàn)與高黏附超疏水涂層相比，氟硅共聚物體系的低黏附超疏水涂層具有更突出的抑制細菌黏附性能。超疏水表面的滾動角大小是控制微生物附著的關(guān)鍵[19-20]。通常相比高黏附超疏水涂層，低黏附超疏水涂層的滾動角更小，液滴在其表面的黏附性更低，因此有菌液滴很容易從其表面滾落，從而減少了細菌在其表面的附著。即使少量細菌附著于表面也無法形成很強的附著力，在水流或其他外力作用下很容易去除，所以低黏附超疏水表面具有很強的自清潔性和防水防污能力[21-22]。目前，關(guān)于比較低黏附和高黏附超疏水涂層對細菌黏附行為的影響尚未見報道。因此，本文研究結(jié)果可對海洋微生物腐蝕防護領(lǐng)域中超疏水涂層的研發(fā)提供借鑒作用。

綜上所述，超疏水表面黏附性對其防腐和抑制細菌微生物附著能力具有顯著的影響，其中低黏附超疏水涂層具有優(yōu)異的防腐和抑制細菌微生物附著的性能，在海洋微生物腐蝕防護領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。高黏附超疏水涂層由于具有良好的疏水性能及較高的液滴黏附性，可用于樣本分析和微液滴無損傳輸，在無損液體傳輸過程中可起到機械手的作用，具有很好的應(yīng)用前景。

5 結(jié) 論

本研究通過調(diào)控聚脲醛納米顆粒比例，采用噴涂法成功在 Q235 鋼基體表面制備了具有不同黏附性能的氟硅共聚物體系的超疏水涂層。其中，低黏附超疏水涂層具有優(yōu)異的海洋防腐和抑制細菌微生物附著的能力，而高黏附超疏水涂層具有良好的液滴載運能力，兩種涂層均具有良好的應(yīng)用前景。