CN104646257A

CN104646257A - 基于贝壳表面仿生的防污减阻协同效应表面的制备方法

Info

Publication number: CN104646257A
Application number: CN201510095154.8A
Authority: CN
Inventors: 白秀琴; 王雄; 郭智威; 袁成清; 严新平
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2015-03-04
Filing date: 2015-03-04
Publication date: 2015-05-27

Abstract

本发明提供一种基于贝壳表面仿生的防污减阻协同效应表面的制备方法，确定仿生防污贝壳种类；获取防污贝壳表面形貌特征，构建贝壳表面微结构几何模型，建立贝壳表面微结构几何模型的特征参数表达；提取贝壳表面具有防污性能的尺度范围，构建具有防污性能的贝壳表面微结构几何模型；在贝壳的防污尺度范围内进行减阻性能分析，获得贝壳表面防污、减阻一体化的最佳尺度范围；选定符合要求的具备防污减阻协同效应的贝壳表面；利用选定的贝壳表面，采用聚二甲基硅氧烷和环氧树脂制备得到符合要求的仿贝壳表面。本发明采用高分子材料，制备工艺简单，实现了静态防污、动态减阻的效果。

Description

基于贝壳表面仿生的防污减阻协同效应表面的制备方法

技术领域

本发明属于节能环保领域，具体涉及一种基于贝壳表面仿生的防污减阻协同效应表面的制备方法。

背景技术

海洋运输是国际贸易和经济全球化的支柱，我国远洋航运的货运量已居世界第二位。航速低、运输周期长已成为航运的主要缺点。航速难以提高的原因在于流体介质中，摩擦阻力与速度成平方关系，与推进功率成立方关系，提高航速的代价是高能耗与高排放。此外，任何新的或经过清洁处理的船舶只要浸入到海水中，很快就会有海洋污损生物附着在船体表面形成船舶污底，导致船舶自重和航行阻力剧增，船速和机动性降低，燃油消耗增加15-50%，进水管路堵塞，船体腐蚀加重，进坞维修次数增多等，造成巨大的经济损失，同时生物污损使得几乎所有减阻技术都无法在船舶实际工程应用，成为制约海军舰船高速化的关键，因此，减阻与防污问题已成为航运界多年来未解决的瓶颈技术问题，目前为止还没有形成防止海洋污损生物附着及减阻的有效应用技术。

目前，防止或清除海洋污损生物对船体的附着，主要是通过在船舶表面涂装防污涂料来实现的。传统的防污涂料是利用涂料中释放出的铜、锡、汞、铅等毒料来杀死海生物的，这虽然能减少海生物的污损，但有害物质的释放给生态环境和人类健康也造成了危害。因此，世界各国从上世纪就开始限制或禁止含三丁基锡涂料的使用，其它有毒的防污涂料也将陆续被禁止。所以，开发环境友好型防污涂料是当今船舶防污减阻研究方向的主流。

理想的防污涂料是不含生物灭杀剂的，但具有防污和使污损物易脱落的能力。科学家发现，海洋中的许多生物如鲨鱼、海豚、紫贻贝、海蟹等尽管在海洋中生活，但其外壳和皮肤表面很少附着海洋生物。实验观察结果表明，这些海洋生物的表皮并不是光滑的，而是存在着微米级的结构，这种微结构在船舶防污减阻方面有着巨大的作用。目前国内外关于表面微结构防污、减阻的研究中，大多数主要集中在以鲨鱼和海豚为研究对象。鲨鱼和海豚在海水中的行进速度非常快，而海洋污损生物的附着量是和船舶在港湾停靠的时间成正比的，停靠的时间越长，附着的量就越大，船舶在航行时则附着较少。因此，以鲨鱼和海豚作为船舶防污、减阻的仿生对象和工程实际有着一定的差别，贝壳通常以相对静止的状态存在于海洋中，即使移动起来也很缓慢，因此选择贝壳作为仿生对象更符合船体表面主要在静止状态下发生污损，动态下又需要减阻的实际情况。

专利《基于鲨鱼皮表面和基体结构的仿生减阻膜材及其制备方法》（公开号CN102145567A）基于鲨鱼表皮和基本结构，通过制备弹性表层、粘弹柔性底层和具有盾甲鳞沟槽结构的模具，然后将所制备的弹性表层和粘弹柔性底层叠加放入具有盾甲鳞沟槽结构的模具中，并使弹性表层贴近复制有鲨鱼皮盾甲鳞沟槽结构的一面，经过硫化、脱模得到具备双重减阻功能的仿鲨鱼皮。该方法将表面微结构与材料基体的仿生相结合，使所制备的仿生减阻膜材的基体和表面分别体现了鲨鱼皮基体的力学特性和表面的盾甲鳞沟槽结构，实现了鲨鱼皮的双重减阻效应。对于该表面结构的防污性能并没有进行研究。

专利《一种鲨鱼皮表面微沟槽结构的复制方法》（公开号CN101966753A）公开了一种鲨鱼皮表面微沟槽结构的复制方法，属于生物约束成型技术领域。其实施步骤依次是：鲨鱼皮预处理；喷脱模剂；不饱和树脂浇注；抽真空；硅橡胶脱模。由以上步骤可获得硅橡胶仿制鲨鱼皮薄膜，能够复制得到鲨鱼盾甲鳞微沟槽结构。该表面对减阻存在作用，但减阻尺度并未进行筛选，且没有涉及到防污作用。

专利《一种复制鲨鱼皮表面微形结构的制备方法》（公开号CN101513760）提出了复制鲨鱼皮表面微形结构的制备方法。该专利利用热压成型法，利用硅橡胶热压得到鲨鱼皮盾甲鳞微结构。与专利CN101966753A类似，该专利仅仅是对鲨鱼皮表面结构的复制，并未对减阻尺度进行优化分析，且没有涉及防污结构。

专利《一种高分子仿生减阻表面及其制备装置》（公开号CN103407210A）涉及一种高分子仿生减阻表面的制备方式。该专利利用静电纺丝法仿照鲨鱼皮表面，制备一种高分子仿生减阻表面，静电纺丝法获得的射流或纤维为微纳米级，配合高分子材料表面，可高度熔融结合，满足减阻要求。但该专利没有对防污领域进行涉及。

专利《一种脊状微结构表面的防污材料制备方法》（公开号CN102304233A）涉及一种海洋环境下防除船舶壳体表面的附着海生物的仿生防污材料的制备方法，以聚二甲基硅氧烷为基底材料，在对基体材料表面进行羟基化处理后，先将钛酸四丁酯吸附在基体材料表面形成表面吸附，再利用钛酸四丁酯的水解特性，在聚二甲基硅氧烷表面水解形成TiO₂凝胶膜层，然后利用聚丙烯酸乙醇溶液与TiO₂膜层进行自组装反应，即得表面具有脊状微结构特征的防污材料。该专利不需要利用生物表面原型，仅仅依靠分子自组装原理，形成的表面微结构特征抑制了生物在材料表面形成污损时的发生条件。但该专利形成的脊状表面只能防止海洋生物的污损，并未对材料表面减阻性能进行研究。

专利《高性能仿生防污复合涂料及其合成方法》（公开号CN102408807A）涉及一种高性能仿生防污复合涂料及其合成方法。该专利通过混合丙烯酸基体树脂、仿生功能基体树脂和助剂（Fe₂O₃和TiO₂），成膜干燥后得到的表面形成类似于鲨鱼皮肤的微米级凸起条纹，且为微相分离结构。该专利利用化学方法制备出了类似鲨鱼皮表层结构，具有防污减阻的效果。但专利中各组分的制备过程复杂，所需化学制剂种类繁多，形成的涂料在水流的冲刷下会存在少量的VOC排放，造成环境影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于贝壳表面仿生的防污减阻协同效应表面的制备方法。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于贝壳表面仿生的防污减阻协同效应表面的制备方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、根据现有技术确定仿生防污贝壳种类；

S2、采用材料表面形貌测试仪，结合表面形貌仿真数字化软件，获取防污贝壳表面形貌特征，构建贝壳表面微结构几何模型，建立贝壳表面微结构几何模型的特征参数表达；

S3、提取贝壳表面具有防污性能的尺度范围，构建具有防污性能的贝壳表面微结构几何模型；

S4、利用流体分析软件，在贝壳的防污尺度范围内进行减阻性能分析，获得贝壳表面防污、减阻一体化的最佳尺度范围；

S5、基于S3得到的具有防污性能的贝壳表面微结构几何模型、以及S4获得的最佳尺度范围，选定符合要求的具备防污减阻协同效应的贝壳表面；

S6、利用S5选定的贝壳表面，采用聚二甲基硅氧烷和环氧树脂制备得到符合要求的仿贝壳表面。

按上述方法，所述的S1中的现有技术包括国内外有关表面微结构防污、减阻技术的理论分析、试验研究和数值模拟仿真方面的研究成果，以及表面微结构防污、减阻技术的现状、发展趋势与工程应用情况。

按上述方法，所述的S2中材料表面形貌测试仪包括光学显微镜、表面轮廓仪、扫描电子显微镜、激光共焦显微镜、白光干涉仪和原子力显微镜，分别从毫米、微米、纳米尺度获取多尺度防污贝壳表面二维及三维形貌特征。

按上述方法，所述的S6的制备步骤如下：

1）贝壳表面预处理：对贝壳表面进行清洁处理；

2）防污减阻协同效应仿生表面的阴模制备：

根据贝壳的大小及成形厚度，按10:1的比例分别用烧杯称取一定量的聚二甲基硅氧烷及其固化剂，将聚二甲基硅氧烷与固化剂混合搅拌均匀后置于真空箱中进行脱气；将脱气后的聚二甲基硅氧烷浇注到预处理后的贝壳上，使其将贝壳表面完全覆盖后再次进行真空脱气；聚二甲基硅氧烷室温固化后脱模得到仿贝壳表面的阴模板；

3）防污减阻协同效应仿生表面成形：

按2:1的比例分别用烧杯称取一定量的环氧树脂A、B双组份，将两组分搅拌均匀后置于真空箱中进行脱气；将脱气后的环氧树脂浇注到仿贝壳表面的聚二甲基硅氧烷阴模板上，使其将阴模板完全覆盖后再次进行真空脱气；环氧树脂室温在真空室中固化后脱模得到仿贝壳表面。

按上述方法，所述的贝壳表面预处理具体为：将贝壳在丙酮溶液中浸泡20分钟后，用软毛刷轻轻在其表面沿沟槽方向涂刷数次；取出贝壳，放在室温下晾干。

本发明的有益效果为：

与现有技术相比，都是基于生物表面的微观结构仿生，不同的是，以鲨鱼表皮结构为仿生原型的专利，仅仅得到单一的防污或减阻效果。或者是利用防污复合涂料模拟出类似鲨鱼表皮结构，达到防污减阻的效果，但是制备工艺复杂，且对环境造成影响。本发明则是基于新型防污减阻结构—贝壳表面微结构，建立防污贝壳表面微结构的仿真模型，利用流体软件分析其减阻性能，得到减阻尺寸范围，对防污和减阻的尺度进行了优化，最后从贝壳表面提取既防污又减阻的沟槽尺寸，选定符合要求的贝壳表面，再利用生物复制法制备具有防污减阻协同效应的表面微结构。

本发明采用高分子材料，制备工艺简单，原理可靠，环境友好，实现了静态能防污，动态能减阻，对船舶及海洋设施具有重要意义。

附图说明

图1是本发明一实施例的工艺流程图；

图2是由仿生原型制备具有防污减阻性能的表面的工艺过程。

具体实施方式

下面结合具体实例对本发明作进一步说明。

本发明提供一种基于贝壳表面仿生的防污减阻协同效应表面的制备方法，如图1所示，采用生物复制技术，对已经确定的具有防污减阻协同效应的贝壳表面形貌直接进行复制，具有防污减阻协同效应仿生表面的制备工艺流程包括预处理、提取表面尺寸、软件分析、得到理想仿生原型、阴模制备、防污减阻协同效应仿生表面成形。它包括以下步骤：

S1、根据现有技术确定仿生防污贝壳种类；现有技术可以包括国内外有关表面微结构防污、减阻技术的理论分析、试验研究和数值模拟仿真方面的研究成果，以及表面微结构防污、减阻技术的现状、发展趋势与工程应用情况。

S2、采用材料表面形貌测试仪，结合表面形貌仿真数字化软件（例如Fluent软件），获取防污贝壳表面形貌特征，构建贝壳表面微结构几何模型，建立贝壳表面微结构几何模型的特征参数表达。材料表面形貌测试仪包括光学显微镜、表面轮廓仪、扫描电子显微镜、激光共焦显微镜、白光干涉仪和原子力显微镜，分别从毫米、微米、纳米尺度获取多尺度防污贝壳表面二维及三维形貌特征。

S3、提取贝壳表面具有防污性能的尺度范围，构建具有防污性能的贝壳表面微结构几何模型。

S4、利用流体分析软件，在贝壳的防污尺度范围内进行减阻性能分析，获得贝壳表面防污、减阻一体化的最佳尺度范围。

制备步骤如图2所示，如下：

1）贝壳表面预处理：对贝壳表面进行清洁处理，本实施例中具体为：将贝壳在丙酮溶液中浸泡20分钟后，用软毛刷轻轻在其表面沿沟槽方向涂刷数次；取出贝壳，放在室温下晾干。

2）防污减阻协同效应仿生表面的阴模制备：

3）防污减阻协同效应仿生表面成形：

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于贝壳表面仿生的防污减阻协同效应表面的制备方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、根据现有技术确定仿生防污贝壳种类；

2.根据权利要求1所述的基于贝壳表面仿生的防污减阻协同效应表面的制备方法，其特征在于：所述的S1中的现有技术包括国内外有关表面微结构防污、减阻技术的理论分析、试验研究和数值模拟仿真方面的研究成果，以及表面微结构防污、减阻技术的现状、发展趋势与工程应用情况。

3.根据权利要求1所述的基于贝壳表面仿生的防污减阻协同效应表面的制备方法，其特征在于：所述的S2中材料表面形貌测试仪包括光学显微镜、表面轮廓仪、扫描电子显微镜、激光共焦显微镜、白光干涉仪和原子力显微镜，分别从毫米、微米、纳米尺度获取多尺度防污贝壳表面二维及三维形貌特征。

4.根据权利要求1所述的基于贝壳表面仿生的防污减阻协同效应表面的制备方法，其特征在于：所述的S6的制备步骤如下：

1）贝壳表面预处理：对贝壳表面进行清洁处理；

2）防污减阻协同效应仿生表面的阴模制备：

3）防污减阻协同效应仿生表面成形：

5.根据权利要求4所述的基于贝壳表面仿生的防污减阻协同效应表面的制备方法，其特征在于：所述的贝壳表面预处理具体为：将贝壳在丙酮溶液中浸泡20分钟后，用软毛刷轻轻在其表面沿沟槽方向涂刷数次；取出贝壳，放在室温下晾干。