关键词： 锌系复合磷化膜   16Mn钢   TiO_(2)颗粒分散液添加量   耐腐蚀性能   抗污染性能  

摘要： 在建筑常用的16Mn钢表面制备锌系复合磷化膜,研究了磷化液中TiO_(2)颗粒分散液添加量对锌系复合磷化膜的结合力、表面形貌、TiO_(2)颗粒含量、厚度、耐腐蚀性能及表面抗污染性能的影响。结果表明:锌系复合磷化膜与16Mn钢基体结合紧密,晶体间空隙被TiO_(2)颗粒不同程度填充。TiO_(2)颗粒分散液添加量为15 mL/L时制备的锌系复合磷化膜晶体表面附着很多TiO_(2)颗粒并呈良好分散状态,厚度约为9.2μm,静态接触角接近125.0°,其电荷转移电阻和低频阻抗值较16Mn钢分别提高了约2.7倍、2.4倍,对亚甲基蓝的降解率达到26.1%。原因归结为该锌系复合磷化膜表面具有较强的疏水作用,TiO_(2)颗粒填充晶体间空隙有效地抑制了电化学腐蚀且吸收紫外光能力增强,从而表现出良好的耐腐蚀与抗污染性能,能够为16Mn钢基体提供更好的保护作用,同时有效防止16Mn钢表面污染。

关键词： 超疏水膜层   Q345钢   抗污性能   锌系磷化膜   喷涂  

摘要： 为提高建筑常用Q345钢板的抗污性能,采用磷化并结合喷涂工艺在Q345钢板表面构建超疏水膜层。首先通过调控磷化液温度在Q345钢板表面制备具有较为规则微米级结构的锌系磷化膜,然后均匀喷涂含TiO2颗粒的树脂涂料,树脂固化成膜与锌系磷化膜紧密结合并将分散的疏水性TiO2颗粒固定,从而构建超疏水膜层。结果表明:磷化液温度60℃条件下成膜均匀并且形成规则致密的微米级结构,树脂固化成膜与锌系磷化膜紧密结合使得超疏水膜层具有良好的机械稳定性和化学稳定性。超疏水膜层的化学成分为Zn、P、O、Ti、C和Si元素,表面接触角达到153.2°,其表面能低并且形成微纳米复合结构,能有效抑制模拟污染物的聚集和黏附,表现出良好的抗污性能。

关键词： “酚-胺”化学   ε-聚赖氨酸   氢化咖啡酸   透明质酸   抗污抗凝  

摘要： 生物污染是医用器械植、介入后的常见问题,尤其是血液接触类器械,如体外循环导管等。生物污染除了影响器械功能发挥外,还可能危及患者生命安全。在器械表面构建抗污涂层是解决此类问题行之有效的策略之一。本工作的灵感来源于“酚-胺”化学,利用ε-聚赖氨酸(ε-PL)、氢化咖啡酸(HCA)、高碘酸钠(NaIO4)一步浸涂法,快速、高效地构建了ε-PL/HCA“酚-胺”涂层,利用涂层表面丰富的氨基官能团接枝透明质酸(HA),得到具有良好生物除污功能的HA@ε-PL/HCA涂层。傅里叶红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)、水接触角的结果证明成功制备了HA@ε-PL/HCA涂层;三种细胞的粘附实验证明HA@ε-PL/HCA涂层具有优异的抗细胞粘附能力;体外血小板粘附与半体内血液循环试验表明HA@ε-PL/HCA涂层具有良好的抗凝血能力。综上,基于“酚-胺”化学构建的HA@ε-PL/HCA涂层可赋予材料良好的抗凝血、抑制细胞粘附的功能,在体外循环导管等器械的表面改性方面具有潜在的应用价值。

关键词： magnesium alloy   composite coating   superhydrophobic   corrosion resistance   anti-soiling performance  

摘要： Magnesium(Mg)alloys,the lightest metal construction material used in industry,play a vital role in future ***,the poor corrosion resistance of Mg alloys in corrosion environments largely limits their potential wide ***,a micro-arc oxidation/graphene oxide/stearic acid(MAO/GO/SA)superhydrophobic composite coating with superior corrosion resistance was fabricated on a Mg alloy AZ91D through micro-arc oxidation(MAO)technology,electrodeposition technique,and self-assembly *** composition and microstructure of the coating were characterized by scanning electron microscopy,X-ray diffraction,energy dispersive spectroscopy,and Raman *** effective protection of the MAO/GO/SA composite coating applied to a substrate was evaluated using potentiodynamic polarization,electrochemical impedance spectroscopy tests,and salt spray *** results showed that the MAO/GO/SA composite coating with a petal spherical structure had the best superhydrophobicity,and it attained a contact angle of 159.53°±2°.The MAO/GO/SA composite coating exhibited high resistance to corrosion,according to electrochemical and salt spray tests.

关键词： 聚偏氟乙烯   氧化石墨烯   TiO_(2)纳米粒子   改性   超滤膜   抗污性能   功能材料  

摘要： 为改善聚偏氟乙烯(PVDF)膜的抗污性能,以聚乙二醇2000接枝的GO/TiO_(2)(PEG/GO/TiO_(2))纳米复合材料为添加剂,通过非溶剂诱导沉淀相分离法制备了一系列PEG/GO/TiO_(2)/PVDF复合超滤膜。采用FTIR、SEM和接触角测试仪对其结构和形貌进行了表征,采用超滤法评价其纯水通量和抗污性能。结果表明,当PEG/GO/TiO_(2)纳米复合材料质量分数为0.60%时,制备的PEG/GO/TiO_(2)/PVDF复合超滤膜(记为0.60%PEG/GO/TiO_(2)/PVDF)表现出最佳的亲水性和抗污性能,其接触角比PVDF膜下降8.2°,总孔隙率增加13.40%,PEG/GO/TiO_(2)纳米复合材料在PVDF膜中分散较均匀。在0.08 MPa的工作压力下,0.60%PEG/GO/TiO_(2)/PVDF的纯水通量高达282.44 L/(m^(2)·h),对腐植酸溶液的过滤通量为131.96 L/(m^(2)·h),水力清洗后的纯水通量为194.98 L/(m^(2)·h),分别为PVDF膜[133.80 L/(m^(2)·h)、90.50 L/(m^(2)·h)、109.57 L/(m^(2)·h)]的2.1倍、1.5倍和1.8倍。因此,PEG/GO/TiO_(2)纳米复合材料作为一种有效添加剂显著提高了PVDF膜的抗污性能。

关键词： 页岩气   水平井   水泥浆   固井   表面活性剂   油基钻井液  

摘要： 采取水平井开发页岩气储层时,由于套管偏心以及井径不规则等原因,通常会导致油基钻井液的顶替效率较低,部分油基钻井液掺入固井水泥浆中,影响水泥浆的性能。为了提高页岩气固井水泥浆的抗污染能力,室内将非离子表面活性剂与阴离子表面活性剂复配制得表面活性剂(AFSG-1),然后以现场油基钻井液和固井水泥浆为研究对象,开展了AFSG-1提高页岩气井固井水泥浆抗污染性能的研究。结果表明,现场油基钻井液的掺入会严重影响固井水泥浆的流动度、稠化时间以及混浆水泥石性能;油基钻井液的掺入比例越大,污染越严重。随着固井水泥浆中AFSG-1加量的不断增大,水泥浆自身的抗污染能力逐渐增强;当固井水泥浆中AFSG-1的质量分数为2%时,再掺入20%的油基钻井液,混浆的流动度、稠化时间以及水泥石性能与未加表面活性剂时相比均有明显改善。另外,AFSG-1对固井水泥浆抗油基钻井液污染性能的改善效果明显优于其他常用表面活性剂。AFSG-1能有效提高页岩气固井水泥浆抗油基钻井液污染的能力,可提高固井质量,保障固井安全。

关键词： 微滤膜   抗污改性   两性离子   表面接枝   层层自组装  

摘要： 微滤膜（MF）用于去除杂质、回收生物大分子如碳水化合物和蛋白质等,常被用作蛋白质分离纯化的预处理步骤。由于生物大分子在膜表面的非特异性吸附堵塞膜孔,造成了严重的膜污染,进而影响膜的过滤效率和使用寿命。因此,如何提高膜的抗污能力成为MF技术的研究热点。普遍认为提高膜表面的亲水性可以有效抑制生物污染物在膜表面的吸附和沉积,从而提高膜表面抗污能力。聚两性离子因其重复单元中带有一对相反电荷的基团,分子表现出整体的中性电荷,通过离子溶剂化具有很强的水合作用,使其具有优异的界面浸润性和抗蛋白质吸附能力,被证明是一种非常具有应用前景的新型防污材料。在此,本课题通过表面接枝技术和层层（LBL）自组装技术分别将聚两性离子接枝和组装在膜表面。通过静态蛋白质吸附实验和动态抗污实验对改性膜的抗污能力进行分析,具体内容如下:（1）选用[3-（甲基丙烯酰胺）丙基]二甲基（3-磺基丙基）氢氧化铵内盐（SPP）、多巴胺（DA）和聚乙烯亚胺（PEI）为改性剂,利用贻贝启发化学改性法将PDA/PEI中间层沉积到PET膜表面（PET-M）,通过表面接枝技术将SPP接枝在PET-M上形成一个三层结构的复合膜,用于抗生物污染。当沉积时间为12 h时,可以获得性能较好的中间层。通过改变SPP接枝的含量对PET-M-PSPP进行性能优化,SPP浓度为4.67 mg mL-1时PET复合膜可获得最优的性能。接触角（WCA）从纯PET膜的93.3°下降到37.4°,在吸附时间为1 h时,对牛血清白蛋白（BSA）和溶菌酶（Lys）的吸附量分别为2.25μg cm-2和3.35μg cm-2,仅为纯PET膜的7.1%和8.3%,在1 g L-1的BSA溶液过滤前后通量恢复率高达92.58%。（2）采用自由基聚合反应制备了PSPP聚两性离子,再通过LBL自组装技术在PET-M中间层上交替组装单宁酸（TA）和PSPP,制备了最外层为聚两性离子的TA/PSPP双分子多层结构,用于膜表面抗生物污染。测得PSPP的数均分子量为2708 Da,多分散系数为1.1,分子量分布均匀。通过调控TA/PSPP双分子层数目来优化复合膜的性能,当自组装8层后,PET膜具有优异的亲水性,WCA仅为37.3°。通过对BSA和Lys的吸附实验测得1 h后吸附量分别为2.68μg cm-2和5μg cm-2,仅为纯PET膜的9.9%和17.3%。为了进一步研究LBL自组装工艺对其他膜的适用性,选用尼龙膜为基底膜进行改性。当自组装层数为8层时,膜达到超亲水状态,WCA=23.2°,并且在1 g L-1的BSA过滤实验中的通量恢复率高达92.89%。相比于接枝改性复合膜,LBL自组装改性膜抗蛋白质吸附性能虽略有不及,但其具有制备过程更加简易、制备条件温和以及成本低等优点。在微滤膜表面LBL自组装TA/PSPP双分子层为提高微滤膜的抗生物污染能力提供了绿色且简单的途径。

关键词： 纳米氧化铜   活性炭微细粉末   改性陶瓷膜   抗污染性能   膜清洗  

摘要： 膜分离技术作为一种可持续发展的绿色工艺,被广泛应用于工业废水处理和水资源化利用等方面。膜主要分为聚合物膜和无机陶瓷膜,相比于聚合物膜,无机陶瓷膜具有高孔隙率、高热稳定性和机械稳定性、高亲水性;在抗细菌污染性能,分离性能等方面具有独特的优势。然而,在膜的应用过程中,膜污染,尤其是生物污染引起的膜通量和使用寿命的下降成为限制其进一步发展的主要因素。为了提升膜的耐污能力,开发出更为经济实惠的技术,以及延长膜的使用时间,显得尤为重要。本文研究了不同改性陶瓷膜的表面性能变化,以及膜的稳定性和抗污染能力。此外,我们还探讨了不同的膜清洗方法,以及它们在处理膜污染时的效果。本文开展的主要研究和结论如下:利用改进的溶胶凝胶浸渍-煅烧法制备负载氧化铜纳米颗粒的陶瓷膜（M-CuO）,重点考察浸渍次数对改性膜性能的影响。实验结果表明:随着浸渍次数增加,改性膜表面纳米氧化铜分布更加均匀。纳米氧化铜改性会导致改性膜纯水通量略微降低,相比原膜纯水通量,浸渍次数为1,2,3时,改性膜的纯水通量分别降低12.7%、15.5%和18.7%。运用抽滤沉积法制备活性炭微细粉末改性膜（M）和活性炭微细粉末/纳米氧化铜共同改性的陶瓷膜（M-CuO）,实验结果发现活性炭微细粉末沉积会导致膜纯水通量略有降低（12%）。在改性膜制备完成后,采用扫描电镜（SEM-EDS）、X射线衍射、傅里叶红外光谱、接触角、Zeta电位等表征手段,对膜改性前后的表面特性进行了分析。表明:改性后,CuO纳米颗粒和活性炭微细粉末较好的负载在陶瓷膜表面。CuO纳米颗粒可以显著增强改性膜的亲水性,但是活性炭微细粉末会降低陶瓷膜的亲水性能,相比于原陶瓷膜,活性炭微细粉末/纳米氧化铜共同改性膜(M-CuO)的亲水性基本不变。改性膜的稳定性实验进一步表明:CuO纳米颗粒负载稳定,不易从改性膜表面溢出,但是活性炭微细粉末沉积不够稳定,会导致TDS增大,但总体TDS值较小,改性材料负载基本稳定。改性陶瓷膜的静态抑菌实验表明:纳米CuO的负载能够有效提高陶瓷膜的抑菌性能。动态MBR运行数据显示:改性陶瓷膜不会影响MBR中活性污泥性质,但是可以稍微提高MBR系统对COD、NH-N、TP的去除效果,而且改性陶瓷膜的TMP增长较缓慢,说明改性陶瓷膜具有良好的抗污染性能。对改性陶瓷膜阻力模型分析表明,负载活性炭微细粉末和CuO纳米颗粒的改性陶瓷膜的膜阻力分别以滤饼层阻力（R）和膜孔内阻力（R）为主。此外,改性膜总阻力略低于原膜总阻力,这是因为改性陶瓷膜具有更好污染抗性,致使膜在有限时间内很难完全污染。进一步探究了改性陶瓷膜的物理清洗、HCl清洗、NaOH清洗效果。观察清洗后纯水通量变化发现,负载CuO的改性陶瓷膜在运行初期与M、M相比污染较缓,清洗后再次污染速率加快;而负载活性炭粉末的改性陶瓷膜物理清洗和HCl清洗后相比于未负载的膜TMP下降程度较小。总体来说,改性陶瓷膜具有更好的膜清洗效果和更高的膜通量恢复率。尽管不同的膜清洗方法对M、M-CuO表面负载的活性炭会有一定程度破坏,改性膜重新负载活性炭微细粉末后,其纯水通量不会发生明显变化。

关键词： 血液接触材料   表面改性   生物抗污   超疏水   两性离子  

摘要： 血液接触材料与器械已经广泛应用于临床治疗和医疗保健,根据使用时间可以将其分为包括体外膜肺氧合器、医用导管和留置针在内的短期植介入器械和以血管支架、心脏瓣膜和血管移植物等为代表的长期植介入器械。当材料与血液接触时,纤维蛋白原等血浆蛋白会迅速吸附在植入物表面,引起凝血级联和补体的激活而导致血栓形成和炎症反应。对于血液接触管路等短期植介入器械,微生物的粘附和定殖可能导致严重的感染,而内皮化不良、异常增生和晚期血栓等问题也限制了血管支架等长期植介入器械的应用。研究表明,阻止血液接触界面处的蛋白吸附和蛋白构象变化可以有效减少上述不良反应的发生。 超疏水表面可以有效抑制材料表面非特异性蛋白的吸附,其机理是通过在基底构建微/纳米结构,使液体下方截留空气层而减少与基材之间的接触面积,因而不利于污染物的粘附;而表面氟化能够进一步增强基材的超疏水性能,材料在氟化后表面能大大降低,对细菌和蛋白等生物污染的阻抗效果显著提高。此外,两性离子界面也被证明具有抑制蛋白吸附和蛋白构象变化的能力,磷酸胆碱基两性离子与疏水烷基链共聚制得的两性离子聚合物可作为细胞膜模拟聚合物用于修饰材料表面以提升其生物相容性,然而多数关于两性离子的报道均证实此类界面是一种广谱的阻抗界面,这对于需要快速形成组织修复界面的长期植/介入血液接触器械而言,面临着应用上的挑战。 针对上述问题,本研究拟对以血液接触管路为代表的短期和以心血管支架为代表的长期植介入器械进行抗污改性研究,分别构建了具有自清洁特性的超疏水表面和以两性离子聚合物为载体,合并促修复成分的仿细胞膜改性表面,具体研究工作主要包括以下部分: (1)基于芬顿反应和硅烷偶联反应制得了具有超疏水特性的氟化纳米纤维丝涂层。制得的涂层能够有效阻抗蛋白质和血小板的粘附,并表现出理想的抗血栓形成和抗细菌粘附效果;此外,该涂层具有良好的生物相容性,可以成功制备在多种聚合物材料、金属材料和无机非金属材料等多种基底上,且具有良好的稳定性和长期超疏水特性。 (2)使用MPC、LMA及APMA单体通过聚合反应制得了氨基化两性离子聚合物PCLA,并基于席夫碱反应利用PCLA与氧化性透明质酸制备了仿细胞膜PC-HA涂层。制得的涂层具有良好的血液相容性,并且在促进内皮细胞粘附和生长的同时,表现出抑制平滑肌细胞增殖的作用。此外,PC-HA涂层支架在体内表现出理想的促内皮化能力和抑制炎症及再狭窄的效果。不同于具有广谱抗污特性的传统两性离子修饰方法,PC-HA涂层引入了细胞外基质组分透明质酸,改性后的材料表面除了能够阻抗蛋白吸附和血栓形成外,还具有介导细胞应答行为和调节组织修复等功能。 上述两种涂层策略基于短期和长期植介入器械的不同需求,在提升材料生物相容性和血液相容性的同时,可针对性地引入抗菌、促内皮和抗炎等特定功能,为血液接触材料改性的优化方向和策略设计提供了理论实验指导和技术储备。

关键词： 蛋白质基吸附剂   海水提铀   吸附性能   抗污性能  

摘要： 能源短缺和化石燃料所造成的环境问题成为全球面临的巨大挑战。因此，大力发展清洁型能源以取代传统化石能源迫在眉睫。核能凭借其能量密度高、二氧化碳排放量低等优点有望成为人类发展所需的主要能源供给方式。然而，核能燃料-铀矿资源的短缺阻碍了核能的可持续发展。海洋中铀储量是铀矿资源的1000倍，因此海水提铀受到研究者们的广泛关注。但是，在海水提铀过程中，海洋污损问题对材料提铀性能的影响不可忽视。　　针对海洋污损问题，本文提出并发展了具有抗污能力的蛋白质基吸附剂的制备方法。通过分子动力学模拟计算蛋白质基吸附剂与铀离子之间的相互作用及配位关系，结果表明一个蛋白质分子可捕获26个铀离子。并且，蛋白质基吸附剂在浓度为8mg/L的铀溶液中，2h内可实现超过1000mg/g的铀吸附量，体现优异的铀吸附性能以及良好的铀选择性。更重要的是，蛋白质基吸附剂在含污染物的铀溶液中循环使用五次后，吸附性能仅下降7.3％,具有优异的可重复利用性。另外，本文发展了牛血清蛋白(BSA)涂层修饰的纳米海绵(BSA@sponge)的制备方法。其中，BSA涂层赋予了纳米海绵抗污性能，纳米海绵则解决蛋白质基吸附剂难回收的问题。两者的相辅相成实现BSA@sponge在铀富集模拟海水中平衡吸附量达到540.5mg/g。然而，在天然海水中，仅凭吸附剂自身的被动吸附难以产生较快的吸附速率。　　电吸附技术可以将天然海水中的铀离子快速地富集至作为阴极电极的吸附剂表面，实现较高的吸附容量和吸附速率，因此被认为是提高海水提铀效率最有效的方法之一。但是，海洋作为一个高盐、复杂的生态体系，其中不乏有部分污染物同阳离子受电场驱动向吸附剂电极迁移，粘附至吸附剂表面形成致密污染物层，阻止吸附位点捕获铀离子，严重抑制吸附剂的提铀性能。为此，本文发展了一种BSA涂层修饰的电极(BSA@CFF)的制备方法。在电吸附技术的支撑下,实现BSA@CFF在天然海水中0.37 mg/g/day的铀提取速率，性能处于领域内上游水平。特别地，本文聚焦电吸附过程中污染物富集的问题，研究表明BSA@CFF在更严峻的污染环境中，循环使用五次后，铀吸附量仅下降15.5％,说明BSA@CFF具备优异的抗污性能，这与BSA涂层的抗污能力息息相关。反观聚偕胺肟涂层修饰的电极(PAO@CFF),循环使用五次后，吸附量下降57.1％。本文不仅采电吸附技术实现材料提铀性能的最大化增幅，又扫清了电吸附过程中污染物富集的障碍，同时为海水提铀提供了技术性策略。