在生物环境（如医疗植入物、海洋工程装备、食品接触材料等场景）中，涂层的附着力是维持防护性能与生物相容性的核心——一旦附着力失效，涂层易剥落，基体将暴露于微生物腐蚀、化学侵蚀或机械摩擦的风险中，引发植入物松动、设备腐蚀或食品安全问题。因此，准确测试生物环境中涂层的附着力，并明确环境因素的作用机制，是材料研发与应用的关键。本文将系统梳理生物环境试验中涂层附着力的测试方法，以及典型环境因素对其的影响。

生物环境试验中涂层附着力的核心意义

在生物环境中，涂层的附着力不仅是“涂层与基体的结合力”，更是“抗动态破坏能力”的体现。比如医疗植入物的钛合金表面通常喷涂羟基磷灰石（HA）涂层——HA具有良好的生物相容性，但需与钛合金基体形成强附着力（≥10MPa）才能发挥作用：若附着力不足，植入后人体体液的长期浸泡会导致HA涂层逐渐脱落，脱落的颗粒会引发巨噬细胞聚集，形成炎症反应，甚至导致植入物松动。

对于海洋工程装备，防生物污损涂层的附着力直接决定“抗污损寿命”：若涂层附着力差，藤壶、藻类等生物会通过“机械锚定”穿透涂层，附着于基体表面——不仅增加船舶航行阻力（生物污损可使燃油消耗增加20%-40%），还会加速基体腐蚀（碳钢基体在生物污损下的腐蚀速率是无污损时的3倍）。

在食品接触领域，涂层的附着力是“食品安全”的底线：比如不粘锅的聚四氟乙烯（PTFE）涂层，若附着力不足，烹饪时的铲子摩擦会导致涂层剥落，PTFE颗粒进入食品——虽然PTFE无毒，但剥落的涂层会暴露铝合金基体，与酸性食品（如番茄）反应生成铝离子，对人体健康造成潜在风险。

此外，生物环境的“多因素叠加”会放大附着力的重要性：比如医疗敷料的压敏胶涂层，需同时承受汗液的化学侵蚀、皮肤拉伸的机械应力、细菌的代谢破坏——若附着力失效，敷料会脱落，失去止血、防感染的功能。因此，生物环境试验中的附着力测试，必须模拟真实场景的“复合应力”，而非仅测试单一因素下的附着力。

生物环境试验中常用的涂层附着力测试方法

划格法（Cross-Cut Test）：是生物环境试验中最常用的定性测试方法，适用于厚度≤25μm的薄涂层（如食品接触的PTFE涂层、医疗敷料的压敏胶涂层）。操作时，用符合ISO 2409标准的划格刀，在涂层表面划出道格间距1mm（或2mm，根据涂层厚度调整）的网格，深度需穿透至基体；随后用粘着力≥3N/cm的透明胶带（如3M 600胶带）垂直粘贴于网格区域，静置1分钟后快速撕离（撕离时间≤1秒）；最后根据网格区域的涂层脱落率评级（0级为无脱落，5级为完全脱落）。在生物环境试验中，需先将试样浸泡于模拟介质（如PBS缓冲液模拟人体体液、橄榄油模拟食品油脂）中7-14天，再进行划格测试，以评估“环境老化后”的附着力。

拉开法（Pull-Off Test）：是定量测试中最准确的方法，适用于厚度≥50μm的中厚涂层（如海洋防污涂层、医疗植入物的HA涂层），符合ASTM D4541标准。操作步骤：①用砂纸打磨涂层表面至粗糙（Ra=0.5-1.0μm），以提高粘结剂与涂层的结合力；②将拉拔头（通常为直径20mm的钢制圆头）用环氧树脂粘结剂固定在涂层表面，待粘结剂固化（24小时，25℃）；③用拉力试验机以1-5mm/min的速率垂直拉拔拉拔头，记录涂层脱落时的最大拉力值；④计算附着力：附着力（MPa）=最大拉力（N）/拉拔头面积（mm²）。在生物环境试验中，需注意“试样预处理”——比如测试海洋涂层时，需先将试样置于含有硫酸盐还原菌（SRB）的人工海水中浸泡28天，模拟微生物腐蚀环境，再进行拉拔，避免“干态测试”与真实场景的偏差。

胶带法（Tape Test）：与划格法类似，但更侧重“动态环境下的附着力保持”，适用于需频繁接触液体的涂层（如医疗导管的聚氨酯涂层、食品加工设备的环氧涂层）。操作时，先将试样浸泡于模拟介质（如牛血清模拟血液、醋酸溶液模拟食品酸性环境）中，经历多次“湿润-干燥”循环（如每天浸泡8小时，干燥16小时，循环7天）；随后用胶带粘贴并撕离，观察涂层是否随胶带脱落。该方法的关键是“模拟生物环境的动态性”——比如汗液中的盐分（NaCl）会渗透至涂层与基体界面，破坏化学键合力，胶带法能直观反映这种破坏的程度。

划痕法（Scratch Test）：适用于高硬度涂层（如氮化钛、类金刚石碳（DLC）涂层），常见于医疗植入物（如人工关节的DLC涂层）和海洋刀具（如防腐蚀刀具的TiN涂层），符合ISO 10719标准。操作时，用金刚石压头（顶角120°，尖端半径200μm）在涂层表面划刻，逐渐增加载荷（从0N到100N，速率10N/min），记录“临界载荷”（即涂层开始剥落时的载荷）——临界载荷越大，附着力越强。在生物环境试验中，需在划痕前将试样置于37℃的模拟血液中浸泡7天，模拟植入后的温度与化学环境，此时临界载荷的下降幅度可反映“生物介质对界面结合力的削弱”。

湿附着测试（Wet Adhesion Test）：专为生物环境设计的“原位测试”方法，适用于需同时承受化学侵蚀与机械摩擦的涂层（如食品加工设备的不粘涂层、医疗敷料的压敏胶涂层）。操作步骤：①将试样固定在浸泡槽中，倒入模拟介质（如40℃的醋酸溶液模拟食品酸性环境、37℃的PBS缓冲液模拟人体体液）；②用旋转摩擦仪（摩擦头为不锈钢球，直径10mm）施加10N的摩擦力，以60rpm的速率旋转摩擦24小时；③摩擦结束后，用拉开法或划格法测试剩余附着力。该方法能模拟“化学侵蚀+机械摩擦”的协同作用，更接近真实使用场景——比如测试不粘锅涂层时，湿附着测试的结果比干态拉开法低30%-50%，更能反映烹饪中的真实附着力。

微生物腐蚀对涂层附着力的影响机制

微生物是生物环境中最活跃的“破坏因子”，其对涂层附着力的影响主要通过“代谢产物侵蚀”“生物酶破坏”与“生物膜物理破坏”三条途径。首先是代谢产物侵蚀：比如硫酸盐还原菌（SRB）会利用硫酸盐作为电子受体，代谢产生硫化氢（H₂S）——H₂S会与涂层中的金属颜料（如锌粉、铝粉）反应，生成硫化锌（ZnS）或硫化铝（Al₂S₃），这些产物的体积比原金属大1.5-2倍，会在涂层内部产生膨胀应力，导致涂层表面出现微裂纹；同时，H₂S会与基体中的铁反应生成硫化亚铁（FeS），破坏涂层与基体的化学键合。

其次是生物酶破坏：某些微生物（如枯草芽孢杆菌、大肠杆菌）会分泌蛋白酶、脂酶等酶类，这些酶会分解涂层中的有机成分。比如枯草芽孢杆菌分泌的蛋白酶会水解环氧树脂中的酰胺键，使涂层中的高分子链断裂——环氧树脂原本是“三维交联结构”，断裂后变成“线性结构”，涂层变得疏松、易碎；同时，酶的催化作用会加速水解速率，比单纯的水浸泡快5-10倍。

然后是生物膜形成与物理破坏：微生物会分泌胞外 polymeric substances（EPS），形成生物膜附着在涂层表面——EPS中含有多糖、蛋白质、核酸等成分，会吸附水分与离子，在涂层表面形成“局部腐蚀环境”；同时，生物膜内部的溶质浓度高于外部介质，会产生“渗透压”，导致水分渗透至生物膜与涂层之间，形成“水层”，隔离涂层与基体；此外，生物膜的生长会对涂层产生“拉伸应力”，导致涂层与基体的界面出现微裂纹，最终附着力失效。

最后是微生物协同作用：多种微生物的共同作用会放大破坏效果——比如SRB与铁细菌共同存在时，SRB产生的H₂S会为铁细菌提供能量，铁细菌会代谢产生氢氧化铁（Fe(OH)₃），氢氧化铁会在涂层表面形成“锈层”，锈层的膨胀会进一步破坏涂层结构；同时，两种微生物的代谢产物会相互促进，使涂层附着力下降更快（比单一微生物快2-3倍）。

湿度与水浸泡对涂层附着力的削弱作用

水是生物环境中“无处不在的介质”，其对涂层附着力的影响主要源于“界面水合作用”与“溶胀破坏”。首先是界面水合作用：涂层与基体的结合力通常包括化学键合力（如共价键、离子键）和物理作用力（如范德华力、氢键）。当水渗透至涂层与基体的界面时，会取代涂层与基体间的氢键——比如环氧树脂涂层与钢铁基体的结合主要依赖氢键（环氧树脂中的羟基与钢铁表面的羟基形成氢键），水会与环氧树脂中的羟基形成更强的氢键，导致涂层与基体的氢键断裂，物理作用力削弱。

其次是涂层溶胀破坏：水会渗透至涂层内部，使涂层中的亲水基团（如羟基、羧基）吸水膨胀——比如聚丙烯酸酯涂层中的羟基会与水结合，形成“水合层”，导致涂层体积增加10%-20%；涂层的膨胀会对基体产生“拉伸应力”，若涂层与基体的热膨胀系数不匹配（如涂层膨胀系数大于基体），应力会集中在界面，导致微裂纹产生；同时，溶胀会使涂层中的高分子链间距增大，涂层的内聚力下降，附着力也随之降低。

然后是干湿循环的加速破坏：生物环境中常见“湿润-干燥”循环（如海洋的涨潮-落潮、医疗敷料的汗液分泌-蒸发、食品加工设备的清洗-干燥），这种循环会导致涂层反复膨胀与收缩，产生“疲劳应力”。比如海洋防污涂层，经历10次涨潮-落潮循环后，涂层中的微裂纹会扩展至界面，附着力下降30%；经历50次循环后，微裂纹会贯穿涂层，涂层开始剥落。

最后是水的离子侵蚀：水中的离子（如Na⁺、Cl⁻、SO₄²⁻）会与涂层中的成分反应，破坏涂层结构。比如医疗植入物的HA涂层，若接触含有Cl⁻的体液（如血液中的Cl⁻浓度约为100mmol/L），Cl⁻会与HA中的Ca²⁺结合，生成氯化钙（CaCl₂），CaCl₂的溶解度高，会从涂层中流失，导致HA涂层变得疏松；同时，Cl⁻会渗透至HA与钛合金基体的界面，破坏化学键合，附着力下降。

温度波动对涂层附着力的动态影响

生物环境中的温度波动常见于医疗（如体温37℃与消毒温度121℃的交替）、食品加工（如烤箱200℃与清洗水温25℃的交替）、海洋（如表层海水25℃与深层海水5℃的交替）场景，其对涂层附着力的影响主要源于“热应力”与“加速老化”。首先是热应力产生：涂层与基体的热膨胀系数（CTE）通常不同——比如钢铁基体的CTE约为17×10⁻⁶/℃，而PTFE涂层的CTE约为100×10⁻⁶/℃，当温度从25℃升至100℃时，涂层的膨胀量是基体的5倍，界面会产生拉应力；若拉应力超过涂层与基体的结合力，界面会出现微裂纹，导致附着力下降。

其次是加速水解与氧化：温度升高会加速涂层中的有机成分水解（如环氧树脂的酯键水解、聚氨酯的酰胺键水解）——比如环氧树脂涂层在37℃下的水解速率约为0.1%/天，在60℃下会增加至0.5%/天，水解产物（如醇类、酸类）会削弱涂层与基体的化学键合；同时，温度升高会加速涂层的氧化（如丙烯酸树脂的双键氧化），氧化会使涂层中的高分子链断裂，涂层变得脆硬，附着力下降。

然后是温度循环的疲劳破坏：反复的温度变化会导致涂层反复膨胀与收缩，产生“疲劳应力”——比如医疗植入物的HA涂层，经历-20℃至60℃的温度循环（模拟消毒与人体体温的交替），50次循环后，涂层中的微裂纹会扩展至界面，附着力从初始的15MPa下降至5MPa；100次循环后，涂层开始剥落。

最后是温度对微生物活性的影响：温度升高会增强微生物的代谢活性，加速微生物对涂层的破坏——比如SRB在25℃下的代谢速率较慢，在37℃下代谢速率会增加2倍，产生的H₂S更多，对涂层的侵蚀更严重；同时，温度升高会加速生物膜的形成，生物膜的厚度从25℃时的10μm增加至37℃时的30μm，对涂层的物理破坏更明显。

化学介质对涂层附着力的针对性破坏

生物环境中的化学介质主要包括生物体液（如血液、汗液）、食品成分（如油脂、糖分）、微生物代谢物（如有机酸、胺类），这些介质会对涂层产生“选择性侵蚀”。首先是生物体液的破坏：血液中的蛋白质会与涂层中的异氰酸酯基团反应，形成“蛋白质膜”——蛋白质膜会隔离涂层与基体，削弱物理作用力；同时，蛋白质的水解产物（如氨基酸）会溶解涂层中的增塑剂（如邻苯二甲酸酯），导致涂层变硬、变脆，附着力下降；汗液中的尿素会分解产生氨（NH₃），氨会与涂层中的酸性基团（如羧基）反应，使涂层中的高分子链带电荷，相互排斥，涂层的内聚力下降。

其次是食品成分的破坏：油性食品（如食用油）会渗透至涂层内部，使涂层溶胀——比如PTFE涂层中的聚四氟乙烯分子链间存在间隙，油脂会进入间隙，导致涂层体积增加10%-20%；溶胀会拉伸涂层与基体的界面，若涂层与基体的结合力不足，界面会出现微裂纹；同时，油脂的氧化产物（如过氧化物）会分解涂层中的高分子链，导致涂层老化；糖分（如葡萄糖）会与涂层中的羟基反应，形成“糖醛酸”，糖醛酸会使涂层变粘，容易吸附杂质，同时削弱与基体的结合力。

然后是微生物代谢物的破坏：微生物代谢产生的有机酸（如柠檬酸、乳酸）会溶解涂层中的无机成分——比如HA涂层中的Ca₃(PO₄)₂会与柠檬酸反应，生成柠檬酸钙（Ca₃(C₆H₅O₇)₂），柠檬酸钙的溶解度高，会从涂层中流失，导致HA涂层变得疏松；同时，有机酸会腐蚀基体（如钢铁基体在柠檬酸中会发生析氢腐蚀），破坏涂层与基体的界面结合；微生物代谢产生的胺类（如三甲胺）会与涂层中的酸性基团反应，使涂层中的高分子链交联度下降，涂层的内聚力降低。

最后是化学介质的协同作用：多种化学介质的共同作用会放大破坏效果——比如医疗植入物的HA涂层，若同时接触血液（蛋白质）、汗液（尿素）与SRB代谢物（H₂S），蛋白质会形成隔离膜，尿素会分解产生氨，H₂S会腐蚀基体，三者协同会使附着力下降速度比单一介质快3-5倍；同时，化学介质与温度、湿度的协同（如高温+酸性介质）会加速破坏，比如丙烯酸酯涂层在80℃的醋酸溶液中，附着力失效时间从25℃时的30天缩短至5天。

机械应力与生物附着的协同破坏作用

生物环境中的机械应力主要来自生物附着后的物理作用（如藤壶附着的挤压、细菌生物膜的拉伸）与使用过程中的机械摩擦（如医疗导管插入的摩擦、食品加工设备的搅拌摩擦），这些机械应力会与生物环境因素协同，加速涂层附着力失效。首先是生物附着的物理挤压：比如藤壶附着在海洋涂层上，其硬壳（主要成分为碳酸钙）会对涂层产生挤压应力