CN101372547B - 具有自润滑沟槽复合减阻功能的仿鲨鱼蒙皮的制作方法 - Google Patents

具有自润滑沟槽复合减阻功能的仿鲨鱼蒙皮的制作方法 Download PDF

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本发明公开了一种具有自润滑沟槽复合减阻功能的仿鲨鱼蒙皮，该仿鲨鱼蒙皮上复制有微米级沟槽，且沟槽具有自润滑性能；仿鲨鱼蒙皮由水性环氧树脂与聚丙烯酰胺水溶液组成，10g的水性环氧树脂中加入50～70g的聚丙烯酰胺水溶液；水性环氧树脂由水性环氧树脂乳液和水性环氧树脂固化剂组成，为双组分的环氧树脂。本发明制造仿鲨鱼蒙皮的工艺充分说明了采用生物复制成形技术可以从高逼真沟槽形貌与自润滑粘液两个角度模仿鲨鱼皮的减阻机制，从而实现低阻生物表面几何属性和界面属性的双重仿生，这将成为仿生减阻表面制造技术未来的发展方向，具有广阔的应用前景。

Description

具有自润滑沟槽复合减阻功能的仿鲨鱼蒙皮的制作方法
技术领域
本发明涉及一种仿鲨鱼蒙皮及其制作方法，更特别地说，是指一种采用亲水性材料制作出具有自润滑沟槽复合减阻功能的仿鲨鱼蒙皮及其制作方法。
背景技术
以仿鲨鱼鳞片沟槽和体表粘液为核心内容的仿鲨鱼减阻表面制造技术是当前研究的热点和难点之一。
以“鲨鱼皮效应”著称的鲨鱼经过不断自适应、自学习和自组织而进化成满足自身生存需要、能对外部流体介质进行合理调控的非光滑沟槽减阻表面。它依赖微米级的鳞片沟槽和分泌粘液实现高速巡游和快速机动。为此，人们尝试各种手段，试图模仿或再现鲨鱼皮的减阻效果，但其鳞片构形机制、粘液分泌机制都是人类现有手段所难实现的。
鲨鱼有可以分泌粘液的粘液腺，其分泌的粘液除可作为一种渗透性的屏障来保护它们防御菌类外，还可以减小边界层摩擦，起着重要的减阻作用。当鲨鱼追捕猎食时，该粘液可快速溶于水，鲨鱼借此可有效提高其瞬时加速度。鲨鱼表皮沟槽微形貌与粘液微缓释共同决定了“鲨鱼皮减阻效应”。
传统的仿鲨鱼沟槽减阻表面制造过程存在的成型质量差、成形效率低、制造成本高以及功能效果差等问题，此外沟槽减阻表面的减阻率目前仅能达到8％左右，单纯依靠沟槽减阻很难得到减阻率的进一步大幅度提高；现有的减阻剂减阻方法存在着减阻剂浪费大、利用率低、需要持续添加等问题；此外，现有减阻涂层很难与减阻沟槽相结合，一般常采用简单的机械叠加方法，很难实现减阻率的显著增加。为此，本发明将沟槽减阻功能与自润滑减阻涂层的减阻功能进行了复合，制备了具有自润滑减阻功能的仿鲨鱼沟槽减阻蒙皮。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种具有自润滑沟槽复合减阻功能的仿鲨鱼蒙皮，该仿鲨鱼蒙皮上复制有微米级沟槽，且沟槽具有自润滑性能。阴模采用硅橡胶，一方面有利于鲨鱼表皮形貌被完整地复制，另一方面在制作仿鲨鱼蒙皮过程中易于脱模。
本发明的目的之二是提出一种采用低温抽气制作具有自润滑沟槽复合减阻功能的仿鲨鱼蒙皮的方法。
本发明是一种制备具有自润滑沟槽复合减阻功能的仿鲨鱼蒙皮的方法，该制作方法有如下步骤：
第一步：制阴模
(A)将硅橡胶均匀涂覆在鲨鱼表皮上形成阴模预成型体，涂覆硅橡胶的厚度为1.5～3mm；
(B)将阴模预成型体放入真空室中，抽真空度至1×10-4～2×10-4MPa，保持10～30min后取出；在压力3000～5000Pa、固化温度22～35℃条件下加压固化120～240min后，脱模得到带有鲨鱼皮形貌的阴模；
第二步：制仿鲨鱼蒙皮
(A)将仿鲨鱼蒙皮材料均匀涂覆在第一步制得的阴模的正面上形成预成型体，涂覆仿鲨鱼蒙皮材料的厚度为0.5～2mm；
所述仿鲨鱼蒙皮材料的配制包括有下列步骤：
步骤A—1：将聚丙烯酰胺加入去离子水中，配制成浓度为1％～2.5％(质量百分比浓度)的聚丙烯酰胺水溶液；
步骤A—2：在50～70g的聚丙烯酰胺水溶液中加入10g的水性环氧树脂乳液混合均匀得到备用溶液；
步骤A—3：向备用溶液中加入1.8～2.2g的水性环氧树脂固化剂、0.7～0.9g的邻苯二甲酸二丁酯，在转速60～120r/min，搅拌20～30min后得到呈液态的仿鲨鱼蒙皮材料；
(B)将预成型体放入真空室中，抽真空度至1×10-4～2×10-4MPa，保持10～30min后取出；在固化温度60～100℃条件下固化10～15h后，脱模得到具有复合减阻自润滑沟槽的仿鲨鱼蒙皮。
本发明仿鲨鱼蒙皮的优点：
1、单纯采用沟槽减阻目前可以达到的平均减阻率为8％；单纯采用自润滑减阻涂层可以达到的平均减阻率约为12％。而本发明中的仿鲨鱼蒙皮的平均减阻率则可以达到29％，使减阻率得到显著提高。
2、本发明中仿鲨鱼蒙皮的沟槽减阻功能与自润滑减阻功能的复合不是简单的机械叠加，而是使两种功能融为一体，使微米级鳞片沟槽同时具有自润滑功能。
3、本发明中的仿鲨鱼蒙皮制作方法可以直接将鲨鱼皮表面的微米级鳞片沟槽结构与自润滑性能进行结合，实现沟槽减阻与自润滑减阻的复合。
附图说明
图1是鲨鱼表皮形貌的电镜扫描照片。
图2是本发明制得阴模正面形貌的电镜扫描照片。
图3是本发明制得仿鲨鱼蒙皮正面形貌的电镜扫描照片。
图4是本发明制得的具有自润滑沟槽的仿鲨鱼蒙皮与无沟槽仿鲨鱼蒙皮的压差变化曲线。
图5是本发明制得的具有自润滑沟槽的仿鲨鱼蒙皮在空泡水筒实验室条件下的减阻率曲线。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明是一种制备具有自润滑沟槽复合减阻功能的仿鲨鱼蒙皮的方法，该制作方法有如下步骤：
第一步：制阴模
(A)将硅橡胶均匀涂覆在鲨鱼表皮上形成阴模预成型体，涂覆硅橡胶的厚度为1.5～3mm；
(B)将阴模预成型体放入真空室中，抽真空度至1×10-4～2×10-4MPa，保持10～30min后取出；在压力3000～5000Pa、固化温度22～35℃条件下加压固化120～240min后，脱模得到带有鲨鱼皮形貌的阴模；
在本发明中，为了获得表面形貌更为逼真的阴模，用电镜扫描鲨鱼表皮，其鲨鱼表皮表面形貌如图1所示。用电镜扫描具有鲨鱼皮形貌的阴模，其阴模表面形貌如图2所示。通过对图1、图2的比对，其相似度为93％以上，且图2中有明显的沟槽结构。
第二步：制仿鲨鱼蒙皮
(A)将仿鲨鱼蒙皮材料均匀涂覆在第一步制得的阴模的正面上形成预成型体，涂覆仿鲨鱼蒙皮材料的厚度为0.5～2mm；
所述仿鲨鱼蒙皮材料的配制包括有下列步骤：
步骤A—1：将聚丙烯酰胺加入去离子水中，配制成浓度为1％～2.5％(质量百分比浓度)的聚丙烯酰胺水溶液；
步骤A—2：在50～70g的聚丙烯酰胺水溶液中加入10g的水性环氧树脂乳液混合均匀得到备用溶液；
步骤A—3：向备用溶液中加入1.8～2.2g的水性环氧树脂固化剂、0.7～0.9g的邻苯二甲酸二丁酯，在转速60～120r/min，搅拌20～30min后得到呈液态的仿鲨鱼蒙皮材料；
(B)将预成型体放入真空室中，抽真空度至1×10-4～2×10-4MPa，保持10～30min后取出；在固化温度60～100℃条件下固化10～15h后，脱模得到具有复合减阻自润滑沟槽的仿鲨鱼蒙皮。
在本发明中，步骤A—1在配制过程中，注意边加入聚丙烯酰胺边进行搅拌，开始时可以以80～100r/min的搅拌速度进行混合；随着聚丙烯酰胺的加入，降低搅拌速度(40～60r/min)以免将聚丙烯酰胺高分子长链结构搅断，搅拌20～30min左右得到质量百分比浓度为1％～2.5％的聚丙烯酰胺水溶液。
在本发明中，用电镜扫描仿鲨鱼蒙皮表面形貌，如图3所示。通过对图1、图3的比对，其相似度为90％以上。图3中，采用本发明方法制得的仿鲨鱼蒙皮的表面保持了结构的完整性，基本实现了在自润滑涂层表面上对鲨鱼鳞片结构的高保真复制；且仿鲨鱼蒙皮表面的沟槽为微米级沟槽，并具有自润滑性能，仿鲨鱼蒙皮的平均减阻率达到29％。
本发明制造仿鲨鱼蒙皮的工艺充分说明了采用生物复制成形技术可以从高逼真沟槽形貌与自润滑粘液两个角度模仿鲨鱼皮的减阻机制，从而实现低阻生物表面几何属性和界面属性的双重仿生，这应该成为仿生减阻表面制造技术未来的发展方向，无疑具有广阔的应用前景。
实施例1：
原材料的选取：硅橡胶选取深圳市威加有机硅有限公司生产的RTV—2—7055硅橡胶预聚体和25#固化剂，混合比例为10:1。水性环氧树脂选取浙江安邦新材料发展有限公司生产的AB—EP—44水性环氧树脂乳液和AB—HGF水性环氧树脂固化剂。
第一步：制阴模
(A)将硅橡胶均匀涂覆在鲨鱼表皮上形成阴模预成型体，涂覆硅橡胶的厚度为1.5mm；
(B)将阴模预成型体放入真空室中，抽真空度至1.4×10-4MPa，保持20min后取出；在压力5000Pa、固化温度30℃条件下加压固化240min后，脱模得到带有鲨鱼皮形貌的阴模；
真空室选用上海一恒科技有限公司生产的PZT—6020智能型真空干燥箱。
第二步：制仿鲨鱼蒙皮
(A)将仿鲨鱼蒙皮材料均匀涂覆在第一步制得的阴模的正面上形成预成型体，涂覆仿鲨鱼蒙皮材料的厚度为1mm；
所述仿鲨鱼蒙皮材料的配制包括有下列步骤：
步骤A—1：将聚丙烯酰胺加入去离子水中，配制成浓度为2％(质量百分比浓度)的聚丙烯酰胺水溶液；
步骤A—2：在65g的聚丙烯酰胺水溶液中加入10g的水性环氧树脂乳液混合均匀得到备用溶液；
步骤A—3：向备用溶液中加入2g的水性环氧树脂固化剂、0.8g的邻苯二甲酸二丁酯，在转速100r/min，搅拌25min后得到呈液态的仿鲨鱼蒙皮材料；
(B)将预成型体放入真空室中，抽真空度至1.4×10-4MPa，保持20min后取出；在固化温度75℃条件下固化15h后，脱模得到具有复合减阻自润滑沟槽的仿鲨鱼蒙皮。
制备的仿鲨鱼蒙皮如图3所示，通过对图1、图3的比对，其相似度为90％以上。图3中，采用本发明方法制得的仿鲨鱼蒙皮的表面保持了结构的完整性，基本实现了在自润滑涂层表面上对鲨鱼鳞片结构的高保真复制；且仿鲨鱼蒙皮表面的沟槽为微米级沟槽，并具有自润滑性能。
对上述制得的具有复合减阻自润滑沟槽的仿鲨鱼蒙皮在空泡水筒实验室(中国船舶科学研究中心CSSRC)进行减阻性能测试：
参见图4所示的具有自润滑沟槽的仿鲨鱼蒙皮与无沟槽仿鲨鱼蒙皮的压差变化曲线，图中可以看出，在水速V＝1.5～4.5m/s情况下，仿鲨鱼蒙皮表现出非常明显的减阻效果。从上述两条拟合曲线上分别读取1.0～4.5m/s且间隔为0.5m/s水速下的压差值ΔP′和ΔPDR′，按照DR＝(ΔP′-ΔPDR′)/ΔP′×100％计算减阻率(如图5所示)，如表1所示。
表1测试样件拟合压差曲线读取压差值及减阻率计算
水速V/(m/s) 沟槽减阻ΔP′/Pa 复合减阻ΔP<sub>DR</sub>′/Pa 差值ΔP′-ΔP<sub>DR</sub>′/Pa 减阻率DR/％
1.0 94.38 101.64 -7.26 -7.69
1.5 188.48 171.97 16.51 8.76
2.0 311.49 253.28 58.21 18.69
2.5 491.51 325.56 165.95 33.76
3.0 741.08 411.60 329.48 44.46
3.5 1058.32 568.23 490.09 46.31
4.0 1404.15 768.83 635.32 45.25
4.5 1761.10 1025.18 735.92 41.79
根据表1得到试验工况下仿鲨鱼自润滑沟槽减阻表面测试样件的减阻率曲线。可以看出，通过压差流阻测试系统测得的仿鲨鱼自润滑沟槽减阻测试样件在水流速度V＝1.5～4.5m/s情况下取得了最大46.31％、最小8.76％的减阻率，平均减阻率达到28.92％；随水流速度的增加，减阻率先快速上升达到峰值平台后再缓慢下降，在变化趋势上与现有自润滑涂层减阻规律基本相同。考虑到该压差流阻测试系统具有2％的系统误差，则实际最大减阻率将可能达到48.31％，平均减阻率将达到30.15％。
实施例2：
原材料的选取：硅橡胶选取深圳市威加有机硅有限公司生产的RTV—2—7055硅橡胶预聚体和25#固化剂，混合比例为15:1。水性环氧树脂选取浙江安邦新材料发展有限公司生产的AB—EP—44水性环氧树脂乳液和AB—HGF水性环氧树脂固化剂。
第一步：制阴模
(A)将硅橡胶均匀涂覆在鲨鱼表皮上形成阴模预成型体，涂覆硅橡胶的厚度为3mm；
(B)将阴模预成型体放入真空室中，抽真空度至2×10-4MPa，保持15min后取出；在压力3500Pa、固化温度22℃条件下加压固化150min后，脱模得到带有鲨鱼皮形貌的阴模；
第二步：制仿鲨鱼蒙皮
(A)将仿鲨鱼蒙皮材料均匀涂覆在第一步制得的阴模的正面上形成预成型体，涂覆仿鲨鱼蒙皮材料的厚度为0.5mm；
所述仿鲨鱼蒙皮材料的配制包括有下列步骤：
步骤A—1：将聚丙烯酰胺加入去离子水中，配制成浓度为2.5％(质量百分比浓度)的聚丙烯酰胺水溶液；
步骤A—2：在50g的聚丙烯酰胺水溶液中加入10g的水性环氧树脂乳液混合均匀得到备用溶液；
步骤A—3：向备用溶液中加入1.8g的水性环氧树脂固化剂、0.9g的邻苯二甲酸二丁酯，在转速60r/min，搅拌30min后得到呈液态的仿鲨鱼蒙皮材料；
(B)将预成型体放入真空室中，抽真空度至2×10-4MPa，保持30min后取出；在固化温度100℃条件下固化10h后，脱模得到具有复合减阻自润滑沟槽的仿鲨鱼蒙皮。
将采用上述方法制备仿鲨鱼蒙皮形貌与图1进行比对，其相似度为90％以上。采用本发明方法制得的仿鲨鱼蒙皮的表面保持了结构的完整性，基本实现了在自润滑涂层表面上对鲨鱼鳞片结构的高保真复制；且仿鲨鱼蒙皮表面的沟槽为微米级沟槽，并具有自润滑性能，仿鲨鱼蒙皮的平均减阻率达到29％。

Claims (2)

1.一种具有自润滑沟槽复合减阻功能的仿鲨鱼蒙皮的制作方法，其特征在于包括有下列制备步骤：
第一步：制阴模
(A)将硅橡胶均匀涂覆在鲨鱼表皮上形成阴模预成型体，涂覆硅橡胶的厚度为1.5～3mm；
(B)将阴模预成型体放入真空室中，抽真空度至1×10-4～2×10-4MPa，保持10～30min后取出；在压力3000～5000Pa、固化温度22～35℃条件下加压固化120～240min后，脱模得到带有鲨鱼皮形貌的阴模；
第二步：制仿鲨鱼蒙皮
(A)将仿鲨鱼蒙皮材料均匀涂覆在第一步制得的阴模的正面上形成预成型体，涂覆仿鲨鱼蒙皮材料的厚度为0.5～2mm；
所述仿鲨鱼蒙皮材料的配制包括有下列步骤：
步骤A-1：将聚丙烯酰胺加入去离子水中，配制成浓度为1％～2.5％(质量百分比浓度)的聚丙烯酰胺水溶液；
步骤A-2：在50～70g的聚丙烯酰胺水溶液中加入10g的水性环氧树脂乳液混合均匀得到备用溶液；
步骤A-3：向备用溶液中加入1.8～2.2g的水性环氧树脂固化剂、0.7～0.9g的邻苯二甲酸二丁酯，在转速60～120r/min，搅拌20～30min后得到呈液态的仿鲨鱼蒙皮材料；
(B)将预成型体放入真空室中，抽真空度至1×10-4～2×10-4MPa，保持10～30min后取出；在固化温度60～100℃条件下固化10～15h后，脱模得到具有复合减阻自润滑沟槽的仿鲨鱼蒙皮。
2.根据权利要求1所述的制备具有自润滑沟槽复合减阻功能的仿鲨鱼蒙皮的方法，其特征在于：硅橡胶是双组分室温硫化硅橡胶。
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