海洋生物黏附力简易测试装置

刘建林， 赵德敏， 刘 赛

(中国石油大学(华东) 储运与建筑工程学院, 山东 青岛 266580)

海洋生物黏附力简易测试装置

刘建林， 赵德敏， 刘 赛

(中国石油大学(华东) 储运与建筑工程学院, 山东 青岛 266580)

测量海洋生物的黏附力可以为海洋污损生物防除、研发防水黏结剂和抗黏附材料提供重要的参考意义。但是目前还没有测量活体生物黏附力的成本低廉的实验设备。该文设计一套通过准静态加载测量海洋污损生物黏附力的简易实验台。本实验台操作简单、成本低廉,能够完成多种海洋生物黏附力测试且易于推广到其他力学实验教学。

海洋污损生物； 黏附力； 实验装置； 准静态加载

实验教学是培养学生动手操作能力、科研能力和创新型思维的重要手段[1]。目前,大多数本科院校的材料力学实验主要有:金属材料的拉伸压缩实验和梁的弯曲正应力实验等, 这些实验仅是基础知识的验证性实验。基础知识的验证实验能促使学生对力学概念和基础知识的理解更加深刻透彻,在一定程度上训练了学生的观察能力、动手操作能力和分析能力[2-3]。培养学生解决问题的能力和创新能力是实验教学改革的主要目标[3],但是验证性实验很难达到这一目标。为此,我们在教学中,积极引入大学生自主创新性实验。学生充分利用学校处于青岛这个海滨城市丰富的海洋资源,以及国家对海洋防污的客观需求,研发海洋生物黏附力的测试的实验台,并进行实验。

1 海洋污损生物

海洋生物附着对海水设施的污损是人类征服海洋的一个巨大的障碍[4]。海洋污损生物是指生长在海里且能附着在船底和海中一切设施表面的动物、植物和微生物的总称,是影响海洋设施安全和使用寿命的重要因素之一。它们以很强的黏附力,黏附在船舶、潜艇、海洋平台和海底管道等一切水下设施上。因此,探究海洋污损生物黏附性质已成为海洋设施安全研究的重点[4-6]。不同的海洋污损生物的界面黏结机理有着极大的差别[7],生物防污研究只有建立在充分了解这些海洋生物黏附机理的基础上才可以真正实现。海洋污损生物的黏附性质也有着对人类有利的一面，在仿生材料研究领域,利用这一性质研制防水黏结剂和防污生物材料已经成为研究热点问题[7]。目前学术界对于许多生物的黏附力的理论和实验研究才刚刚起步,尚无成熟的理论成果,更无专用仪器用于实验探究。当前物理防污法是工程领域最主要防污损技术,物理防污需要对破坏污损生物与附着基体之间的黏附作用所需的物理量进行预估,然而目前针对物理量的测量技术欠缺[8]。尽管原子力显微镜(AFM)可以实现生物分子间作用力的直接测量,但原子力显微镜不能以生物活体为测量对象,且成本很高[9]。也有力学传感器测试系统检测微小土壤黏附力,但力学传感器类仪器对生物活体力学性能测量的制样要求比较高,且精度较高的传感器很容易在使用过程中被损坏[10]。因此开发成本低廉且能够对活体海洋生物甚至壁虎等其他生物黏附力进行测试的实验仪器和实验平台势在必行[11]。

2 实验装置及实验步骤

本实验装置主要部分见图1,主要由底板、力传感器、悬臂梁、定滑轮、角度测量器、齿轮传动器、绕绳轴、重物加载轮、沙盒、钢丝绳以及准静态力加载器等组成。悬臂梁由2根平行的悬臂组成,其中一端通过中轴将悬臂梁与角度测量器连接,另一端通过连接块将两根悬臂和一个定滑轮相连。悬臂梁上沿着两行子悬臂梁轴线方向平行设有多组小孔,用于调节定滑轮的位置。角度测量器上沿着圆弧方向每10°也设有一组的小孔,通过螺栓将悬臂梁的一端固定在角度测量器不同的小孔中,用于调节悬臂梁和底板的相对位置。底板上设有多个固定孔,可灵活地放置黏附板并进行装夹。力传感器的上下端各连一根连接线,上端连接线绕过悬臂梁与齿轮传动系统上的绕绳轴相连,下端连接线通过套扣与待测的黏附物相连,黏附物固定于附着黏附板上。为保证实验时鲍鱼的活性,黏附板做成盒状。力传感器通过数据线与数据采集器相连,数据采集器连接在电脑上,可实时采集力学数据。齿轮传动系统包括一个重物加载轮和一个齿轮组,齿轮组由大小2个齿轮组成。大齿轮轴同时为绕绳轴,小齿轮轴通过齿轮轴和重物加载轮相连。加载轮采用多级变直径方式,设有2个以上不同半径的轮片,通过将沙盒连接在加载轮的不同轮片上,能够实现将不同倍数沙盒重量的加载力作用于所测物体上,提高其对不同数量级黏附力实验的适应能力。通过准静态加载器(附加的泵)向沙盒中缓慢等量加水,加载力从零开始均匀而连续地变化,实现准静态加载。如图1(b)所示,沙盒在重力作用下带动加载轮旋转,加载轮通过传动轴带动小齿轮旋转,再通过齿轮啮合系统使绕绳轴旋转,从而拉紧钢丝绳对粘附生物加载,实现对黏附力的测量。调解悬臂梁和底板的夹角,选择合适的套扣,还可以测粘附时的剪切力。

图1 实验装置

3 实验结果分析

本实验目的:测量鲍鱼的在玻璃和亚克力两种板上的黏附力并计算黏附强度。本实验材料:鲍鱼黏附生物、玻璃板和亚克力板。实验结果见表1。

表1 鲍鱼的黏附实验结果

从表1中可以看出,鲍鱼在普通玻璃板上和亚克力板上的黏附强度没有明显差异,可能由于这两种板的光洁度和亲疏水性相近的原因。同一种板的黏附强度的差异主要来源于后期鲍鱼活性降低,黏附性变差。还可以选取石板和钢板等其他材料,并考虑材料的亲疏水性,对多尺寸、不同质量的鲍鱼、海螺和贻贝进行大量实验，测量黏附力和剪切力。本装置还可以拓展小于1 000 N的其他力学实验测试。

4 结语

大学生自主创新实验可以增强大学生解决实际问题的能力和创新能力。通过大学生自主创新实验设计了测试海洋生物脱离黏附表面时黏附力的简易实验装置。应用本装置从力学的角度定量测量海洋污损生物的黏附力和黏附强度,这将促进海洋污损生物防除技术的进步，并有利于发防水黏结剂和抗黏附材料的研发。本实验装置是一种操作简单、成本低廉、体积较小的实验平台,能够测量多种海洋活体生物的黏附力和其他活体生物的黏附力。本设备还可以拓展用于学生的其他力学实验。

References)

[1] 杜成斌, 尚作萍. 依托力学试验创新基地培养大学生的创新能力[J]. 实验室研究与探索,2009,28(4):182-185.

[2] 李建华, 乔箭, 陈亮亮. 材料力学试验“互动式”教学模式探索[J]. 实验技术与管理,2013,30(12):181-183.

[3] 吴泽玉, 李玉河, 吴琰玲. 材料力学实验教学改革初探[J]. 实验技术与管理,2007,24(10):361-362.

[4] 冯万亮, 桂亦斌, 周建奇. 生物污损对舰船的危害及防污新技术[J]. 四川兵工学报,2009,30(11):129-132,143.

[5] 陈翔峰, 侯健, 穆振军, 等.海洋污损生物变化及附着规律研究[J]. 材料开发与应用,2011,26(1): 24-28.

[6] 刘超, 付玉彬, 郑纪勇. 环境友好型防污剂及海洋防污涂料的研究进展[J].材料开发与应用,2009(8):69-73.

[7] 展咪咪, 李倩茹, 陆琦, 等. 海洋生物表面粘附与仿生功能化.材料科学与工程学报,2013,31(5):768-774.

[8] 胥震, 欧阳清, 易定和. 海洋污损生物防除方法概述及发展趋势[J]. 腐蚀科学与防护技术,2012(3):192-198.

[9] 王艳霞, 李艳宁, 傅星,等. 原子力显微镜在生物力测量中的应用[J]. 微纳电子技术,2003(7):228-230.

[10] 杨志强, 李建桥, 许亚婷. 微小土壤粘附力测试系统的研制[J]. 华中农业大学学报,2005(増刊1)：114-117.

[11] 陈少华, 彭志龙. 壁虎粘附微观力学机制的仿生研究进展[J]. 力学进展, 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

国家自然科学基金项目(11278237)；中国石油大学(华东)教学改革项目(JY-B201430)

刘建林(1977—)男，山东青岛，博士，教授，从事微观仿生力学研究

E-mail：zhaodemin@upc.edu.cn

赵德敏(1973—)女，河北泊头，博士，讲师，从事纳米弹性结构非线性动力学研究.

E-mail：liujianlin@upc.edu.cn

U661.6；G484

B

1002-4956(2017)5-0092-03