CN107263987B - 一种三明治结构的智能水凝胶材料减阻表面的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种三明治结构的智能水凝胶材料减阻表面的制备方法属表面减阻技术领域，本发明先制备所需溶合液，采用3D打印技术制备树脂模板，并依次制备三层表面膜，最后用四氢呋喃溶液溶解树脂模板实现脱模，完成三明治结构的智能水凝胶材料减阻表面制备；本发明通过超微细加热网对温敏性水凝胶进行温度控制，改变其体积大小，从而实现减阻表面沟槽的尺寸变化，使航行体在全工况状态下适应流场结构的改变，降低壁面摩擦阻力，节约能量。

Description

一种三明治结构的智能水凝胶材料减阻表面的制备方法
技术领域
本发明属表面减阻技术领域，具体涉及一种三明治结构的智能水凝胶材料减阻表面的制备方法。
背景技术
潜艇、鱼雷等水下航行体在海洋中航行时，由于其与海水流动相互作用产生的黏性摩擦阻力，导致航速、航程以及水下兵器的作战性能降低。此外，水下航行体为克服表面黏性摩擦阻力所消耗的能量是当今世界能源消耗的重要组成部分。因此，减小水下航行体表面所产生的黏性摩擦阻力在整个水下减阻技术中扮演者重要角色。
近壁面湍流边界层控制减阻技术一直是国内外研究者十分关注的热点问题。减阻技术根据是否提供能量输入可分为主动减阻技术和被动减阻技术。主动减阻技术需要提供能量来改变湍流边界层的流动结构以达到减阻的效果。被动减阻技术只是单一改变壁面的形态或者材料实现减阻的目的，如沟槽法、柔性表面法等，但是被动减阻技术只有在特定条件下才能达到减阻的作用，无法适应不同工况下的流场变换。大型水下航行体长时间在水下以不同的速度运行，因此需要提供一种智能减阻表面，能够实时适应不同运行工况下的流动结构，从而达到最佳的减阻效果。温度敏感性水凝胶具有热可逆特性，是实现仿生表面对流场参数产生智能响应的首选材料，其体积可随外界温度的变化而变化，较低临界溶解温度为33℃，当外界温度低于33℃时，温敏性水凝胶大量吸水溶胀，体积增大；当外界温度超过33℃时，温敏性水凝胶会突然收缩失水，造成凝胶体积塌陷，但是温敏性水凝胶机械强度较弱、耐久性差、不抵抗流体剪切力，为了解决该问题，提出多层水凝胶材料复合的减阻表面，提高水凝胶的机械强度，利用主动减阻技术和被动减阻技术相结合的方法，共同实现湍流边界层的智能控制，以达到最佳减阻效果。
发明内容
本发明的目的是提供一种三明治结构的智能水凝胶材料减阻表面制备方法，主要是利用超微细加热网对温敏性水凝胶进行温度控制，从而改变其体积的大小，进而影响流固界面的尺寸变化，使得减阻表面能够实时地适应流场结构的改变，起到减阻的作用。
本发明包括下列步骤：
1.1各组分按容积百分比，取丙烯酸类树脂溶液90～95％、超微细三氧化二铝5～10％，进行溶合，制得增韧丙烯酸类树脂溶合液；
1.2各组分按容积百分比，取丙烯酰胺类聚合物85～90％、N,N-亚甲基双丙烯酰胺交联剂5～10％、氨基硅烷固化剂5～10％，用搅拌器进行均匀搅拌，常温下通氮气除氧10～30min，制得丙烯酰胺类聚合物溶合液；
1.3各组分按容积百分比，取温度敏感性水凝胶溶液85～95％、N,N-亚甲基双丙烯酰胺交联剂1～10％、四甲基乙二烷固化剂5～10％，常温下通氮气除氧10～30min，制得温度敏感性水凝胶溶合液；
1.4以步骤1.1的增韧丙烯酸类树脂为基料，采用3D打印机制备丙烯酸类树脂模板2，丙烯酸类树脂模板2两边设有限位板Ⅰ1和限位板Ⅱ3，限位板Ⅰ1和限位板Ⅱ3的长度x均为10～15μm，宽度y均为5～7μm，丙烯酸类树脂模板2的总长L1为1～2mm，丙烯酸类树脂模板2的横截面设有三角形的沟槽，三角形的高度h为20～110μm，沟槽底部到模板底部的距离h1为50～150μm，三角形的底边长度s为30～130μm，相邻三角形的间距f为50～200μm，在干燥无尘的环境下，避光放置4～10h；
以步骤1.1的增韧丙烯酸类树脂为基料，采用3D打印机制备与丙烯酸类树脂模板2横截面相同形状的辅助模板4，辅助模板4的总长L2为1～2mm，辅助模板4的横截面设有三角形的沟槽，三角形的高度h＇为15～105μm，三角形的底边长度s＇为20～120μm，相邻三角形的间距f＇为60～210μm，沟槽到下底面的距离h2为25～115μm，沟槽到上底面的距离h3为30～130μm，在干燥无尘的环境下，避光放置4～10h；
1.5向步骤1.4的丙烯酸类树脂模板2和辅助模板4间填充由步骤1.2中制得的丙烯酰胺类聚合物溶合液，填充厚度h4为5～7μm，常温下避光放置24h以上，形成第一层固化表面膜6；
1.6用四氢呋喃溶液溶解辅助模板4实现脱模，向步骤1.5中形成的第一层固化表面膜6上迅速填充由步骤1.3中制得的温度敏感性水凝胶溶合液，使温敏性水凝胶溶合液充分流平，同时将超微细加热网8水平置于温敏性水凝胶溶合液中，并用支撑架Ⅰ5和支撑架Ⅱ10张紧超微细加热网8，超微细加热网8的厚度h5为5～8μm，室温下避光放置24h以上，得到第二层固化表面膜7，第二层固化表面膜7包括水平底面11和三角形上面12；
1.7向步骤1.6中得到的第二层固化表面膜7上填充由步骤1.2中制得的丙烯酰胺类聚合物溶合液，填充厚度h6为5～7μm，室温下避光放置24h以上，得到第三层固化表面膜9；
1.8用四氢呋喃溶液溶解丙烯酸类树脂模板2实现脱模，完成三明治结构的智能水凝胶材料减阻表面制备。
步骤1.6所述超微细加热网8的底面与第二层固化表面膜7的底面间距h7为5～10μm。
步骤1.6所述超微细加热网8的a端为正极端，超微细加热网8的b端为负极端。
所述第一层固化表面膜6、第二层固化表面膜7中的水平底面11和第三层固化表面膜9的厚度比为1:2:1～1:3:1，三明治结构的智能水凝胶材料减阻表面的总厚度h8为45～150μm。
为进一步实现本发明的目的，所述的丙烯酰胺类聚合物具有高弹高韧特性，且机械强度高，耐久性好，易抵抗流体剪切力。温度敏感性水凝胶具有热可逆特性，其相转变温度LCST在33℃左右。当温度低于33℃时，温敏性水凝胶处于透明的溶胀状态；当温度超过33℃时，随着温度的升高，温敏性水凝胶链段聚集，造成凝胶体积塌陷。
所述的超微细加热网主要是通过改变中间层温敏性水凝胶的温度，进而影响流固表面沟槽尺寸的变化，实现仿生表面对流场参数的智能控制。
本发明可以调控制备的具有三明治结构的智能水凝胶材料减阻表面沟槽的尺寸大小，改变壁面边界层流场结构，降低壁面剪切应力，从而减小壁面摩擦阻力，使水下航行体在全工况运行状态下，达到最佳减阻效果。
附图说明
图1为三明治结构的智能水凝胶材料减阻表面制备方法的流程图
图2为丙烯酸类树脂模板的结构示意图
图3为与丙烯酸类树脂模板截面相同形状的辅助模板结构示意图
图4为三明治结构的智能水凝胶材料减阻表面制备示意图
图5为三明治结构的智能水凝胶材料减阻表面示意图
图6为图5中c所指部分的放大图
图7为温敏性水凝胶结构示意图
其中：1.限位板Ⅰ 2.丙烯酸类树脂模板 3.限位板Ⅱ 4.辅助模板 5.支撑架Ⅰ 6.第一层固化表面膜 7.第二层固化表面膜 8.超微细加热网 9.第三层固化表面膜 10.支撑架Ⅱ 11.长条形底面 12.间隔三角形面
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。
本发明的方法如图1所示，具体步骤如下：
1.1各组分按容积百分比，取丙烯酸类树脂溶液90％、超微细三氧化二铝10％，进行溶合，制得增韧丙烯酸类树脂溶合液；
1.2各组分按容积百分比，取丙烯酰胺类聚合物90％、N,N-亚甲基双丙烯酰胺交联剂5％、氨基硅烷固化剂5％，用搅拌器进行均匀搅拌，常温下通氮气除氧30min，制得丙烯酰胺类聚合物溶合液；
1.3各组分按容积百分比，取温度敏感性水凝胶溶液90％、N,N-亚甲基双丙烯酰胺交联剂5％、四甲基乙二烷固化剂5％，常温下通氮气除氧30min，制得温度敏感性水凝胶溶合液；
1.4当沟槽的无量纲高度h+≤25，沟槽的无量纲宽度s+≤30时，沟槽具有减阻特性。水下航行体的主艇体总长为4.0m，经济航速7.7m/s，水的运动黏度为1.0048×10-6m2/s，根据以上工作环境参数计算出减阻表面沟槽的高度h和宽度s。以步骤1.1的增韧丙烯酸类树脂为基料，采用3D打印机制备丙烯酸类树脂模板2，如图2所示，丙烯酸类树脂模板2两边有限位板Ⅰ1和限位板Ⅱ3，限位板Ⅰ1和限位板Ⅱ3长度x均为15μm、宽度y均为7μm，丙烯酸类树脂模板2的总长L1为2mm，丙烯酸类树脂模板2的横截面设有三角形的沟槽，三角形的高度h为110μm，沟槽底部到模板底部的距离h1为150μm，三角形的底边长度s为130μm，相邻三角形的间距f为200μm，在干燥无尘的环境下，避光放置10h；
以步骤1.1的增韧丙烯酸类树脂为基料，采用3D打印机制备与丙烯酸类树脂模板2横截面相同形状的辅助模板4，如图3所示，辅助模板4的总长L2为2mm，辅助模板4的横截面设有三角形的沟槽，三角形的高度h＇为105μm，三角形的底边长度s＇为120μm，相邻三角形的间距f＇为210μm，沟槽到下底面的距离h2为115μm，沟槽到上底面的距离h3为130μm，在干燥无尘的环境下，避光放置10h；
1.5向步骤1.4的丙烯酸类树脂模板2和辅助模板4间填充由步骤1.2中制得的丙烯酰胺类聚合物溶合液，填充厚度h4为7μm，常温下避光放置24h以上，形成第一层固化表面膜6；
1.6用四氢呋喃溶液溶解辅助模板4实现脱模，向步骤1.5中形成的第一层固化表面膜6上迅速填充由步骤1.3中制得的温度敏感性水凝胶溶合液，使温敏性水凝胶溶合液充分流平，同时将超微细加热网8水平置于温敏性水凝胶溶合液中，并用支撑架Ⅰ5和支撑架Ⅱ10张紧超微细加热网8，超微细加热网8的厚度h5为8μm，目数为6000，孔径为2.5μm，室温下避光放置24h以上，得到第二层固化表面膜7，第二层固化表面膜7包括水平底面11和三角形上面12；
1.7向步骤1.6中得到的第二层固化表面膜7上填充由步骤1.2中制得的丙烯酰胺类聚合物溶合液，填充厚度h6为7μm，室温下避光放置24h以上，得到第三层固化表面膜9，制备过程示意图如图4；
1.8用四氢呋喃溶液溶解丙烯酸类树脂模板2实现脱模，完成三明治结构的智能水凝胶材料减阻表面制备，制备的减阻表面如图5所示，应用到水下航行体表面上。
当水下航行体的运行速度超过7.7m/s时，只有实时地改变沟槽的高度h和宽度s，即沟槽的无量纲高度h+≤25，沟槽的无量纲宽度s+≤30时，才能保证航行体在全工况下达到最佳减阻效果，因此根据速度的变化，将超微细加热网8逐渐升温，最高温度达到40℃，温敏性水凝胶体积塌陷，从而实时地改变沟槽的高度h和宽度s。
综上，即可得到适用于上述水下航行体的三明治结构的智能水凝胶材料减阻表面，使其在工作环境下达到最佳减阻效果。

Claims (4)

1.一种三明治结构的智能水凝胶材料减阻表面的制备方法，其特征在于包括下列步骤：
1.1各组分按容积百分比，取丙烯酸类树脂溶液90～95％、超微细三氧化二铝5～10％，进行溶合，制得增韧丙烯酸类树脂溶合液；
1.2各组分按容积百分比，取丙烯酰胺类聚合物85～90％、N,N-亚甲基双丙烯酰胺交联剂5～10％、氨基硅烷固化剂5～10％，用搅拌器进行均匀搅拌，常温下通氮气除氧10～30min，制得丙烯酰胺类聚合物溶合液；
1.3各组分按容积百分比，取温度敏感性水凝胶溶液85～95％、N,N-亚甲基双丙烯酰胺交联剂1～10％、四甲基乙二烷固化剂5～10％，常温下通氮气除氧10～30min，制得温度敏感性水凝胶溶合液；
1.4以步骤1.1的增韧丙烯酸类树脂为基料，采用3D打印机制备丙烯酸类树脂模板(2)，丙烯酸类树脂模板(2)两边设有限位板Ⅰ(1)和限位板Ⅱ(3)，限位板Ⅰ(1)和限位板Ⅱ(3)的长度x均为10～15μm，宽度y均为5～7μm，丙烯酸类树脂模板(2)的总长L1为1～2mm，丙烯酸类树脂模板(2)的横截面设有三角形的沟槽，三角形的高度h为20～110μm，沟槽底部到模板底部的距离h1为50～150μm，三角形的底边长度s为30～130μm，相邻三角形的间距f为50～200μm，在干燥无尘的环境下，避光放置4～10h；
以步骤1.1的增韧丙烯酸类树脂为基料，采用3D打印机制备与丙烯酸类树脂模板(2)横截面相同形状的辅助模板(4)，辅助模板(4)的总长L2为1～2mm，辅助模板(4)的横截面设有三角形的沟槽，三角形的高度h＇为15～105μm，三角形的底边长度s＇为20～120μm，相邻三角形的间距f＇为60～210μm，沟槽到下底面的距离h2为25～115μm，沟槽到上底面的距离h3为30～130μm，在干燥无尘的环境下，避光放置4～10h；
1.5向步骤1.4的丙烯酸类树脂模板(2)和辅助模板(4)间填充由步骤1.2中制得的丙烯酰胺类聚合物溶合液，填充厚度h4为5～7μm，常温下避光放置24h以上，形成第一层固化表面膜(6)；
1.6用四氢呋喃溶液溶解辅助模板(4)实现脱模，向步骤1.5中形成的第一层固化表面膜(6)上迅速填充由步骤1.3中制得的温度敏感性水凝胶溶合液，使温敏性水凝胶溶合液充分流平，同时将超微细加热网(8)水平置于温敏性水凝胶溶合液中，并用支撑架Ⅰ(5)和支撑架Ⅱ(10)张紧超微细加热网(8)，超微细加热网(8)的厚度h5为5～8μm，室温下避光放置24h以上，得到第二层固化表面膜(7)，第二层固化表面膜(7)包括水平底面(11)和三角形上面(12)；
1.7向步骤1.6中得到的第二层固化表面膜(7)上填充由步骤1.2中制得的丙烯酰胺类聚合物溶合液，填充厚度h6为5～7μm，室温下避光放置24h以上，得到第三层固化表面膜(8)；
1.8用四氢呋喃溶液溶解丙烯酸类树脂模板(2)实现脱模，完成三明治结构的智能水凝胶材料减阻表面制备。
2.按权利要求1所述的三明治结构的智能水凝胶材料减阻表面的制备方法，其特征在于：步骤1.6所述超微细加热网(8)的底面与第二层固化表面膜(7)的底面间距h7为5～10μm。
3.按权利要求1所述的三明治结构的智能水凝胶材料减阻表面的制备方法，其特征在于：步骤1.6所述超微细加热网(8)的a端为正极端，超微细加热网(8)的b端为负极端。
4.按权利要求1所述的三明治结构的智能水凝胶材料减阻表面的制备方法，其特征在于：所述第一层固化表面膜(6)、第二层固化表面膜(7)中的水平底面(11)和第三层固化表面膜(9)的厚度比为1:2:1～1:3:1，三明治结构的智能水凝胶材料减阻表面的总厚度h8为45～150μm。
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