海洋环境下热喷涂铝基涂层的生物腐蚀行为研究

Abstract

海洋环境中,金属材料表面发生化学或/和电化学腐蚀是长期困扰海上设施的问题之一,而腐蚀介质中微生物的存在使这一问题更加复杂化。对大多数金属材料而言,比如海洋环境中常用的不锈钢316L,贴附在其表面的微生物的活动会破坏它们的机械、物理和化学性能。近年来,众多研究人员试图通过优化海洋涂层来防止海洋生物污损和腐蚀。热喷涂无机涂层已经被成功用于海洋设施表面,并实现了免维护、长期有效服役。涂层表面的微生物膜的形成必然会影响涂层的抗腐蚀性能。目前为止,热喷涂涂层的海洋生物腐蚀机制鲜有报道。本课题选取不锈钢316L和热喷涂铝基涂层作为典型海洋材料来研究细菌在涂层表面的贴附行为。此外,还进一步探索pH、温度、培养时间、表面形貌和水动力条件等不同环境因素的影响。本课题共包括4个紧密相关的研究内容。在第一部分中,我们试图了解在有细菌和微生物膜条件下热喷涂铝涂层和铝/纳米氧化铝涂层在人工海水中的腐蚀行为。研究主要以大肠杆菌构建的微生物膜作为简化模型,利用电化学和表面分析方法研究其微观结构及腐蚀行为。结果显示早期微生物膜可以增强铝基涂层的耐腐蚀性。等效电路模拟结果提供了液体与材料表界面间的直接电化学信息。这部分结果展示在3.1章节。第二部分工作中(3.2章节),我们研究了人工海水环境中一种海洋细菌——芽孢杆菌,在不锈钢和热喷涂铝涂层表面的贴附行为以及微生物膜的形成。细菌贴附加速了不锈钢的腐蚀,而早期形成的细菌生物膜显著增强了铝涂层的耐蚀性能。培养7天以后,不锈钢表面形成不均一的生物膜,而铝涂层表面形成均一致密的微生物膜。原子力显微镜表明,在不锈钢表面已经开始形成点蚀,导致表面粗糙度增加。电化学测试表明,细菌生物膜对海洋结构件的腐蚀行为不仅仅由细菌生物膜本身的性质决定,而是由生物膜的性质与材料表界面的理化性质的协同作用来施加影响。第三部分工作聚焦于各种物理化学因素对芽孢杆菌生物膜形成的影响。此外,利用各种电化学方法(电化学阻抗谱和循环极化曲线)和表面分析方法(激光共聚焦显微镜、扫描电镜和原子力显微镜),深入研究316L不锈钢和热喷涂铝涂层表面的生物腐蚀以及生物膜如何封堵热喷涂铝涂层中孔隙的相关机制。结果显示,pH值为9和温度为30oC时细菌贴附最多,而浸没90天后316L不锈钢和热喷涂铝涂层都出现点蚀。尽管如此,表面有细菌生物膜的热喷涂涂层比表面没有细菌生物膜的热喷涂涂层表现出了更好的耐腐蚀性。这部分结果展示在3.3章节。最后部分工作中(3.4章节),我们研究了层流和弱湍流条件下剪切力对芽孢杆菌生长、贴附和微生物膜形成能力的影响。我们发现微生物膜的早期形成几乎不受剪切力的影响。而在成熟微生物膜中,剪切力决定了微生物在表面的贴附。激光共聚焦显微镜和扫描电镜分析显示,流态明显影响了生物膜的结构和细菌群落的形成。在层流条件下生物膜的生长模式是非定向的,而在弱湍流条件下它们明显长成脊状和带状。微群落长成延伸状即带状,可能是由于压力阻力。此外,我们模拟了一个模型来进一步描述系统中剪切力的变化