CN110181805B - 一种阻力与润湿性可控的仿生智能表面3d打印方法 - Google Patents

一种阻力与润湿性可控的仿生智能表面3d打印方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种阻力与润湿性可控的仿生智能表面3D打印方法，其方法如下：选用三种组分材料，疏水组分材料遇低pH(<7)溶液时发生质子化使组分区域在表面膨胀凸出，使表面呈现疏水特性，当暴露在高pH(>7)溶液时组分材料发生质子化而膨胀，组分材料收缩回原形，亲水的组分材料凸显在智能表面上，整个表面呈亲水特性，组分材料为基体材料；然后结合材料属性及仿生减阻表面设计，利用多材料3D打印或梯度3D打印成型复杂材料分布的仿生智能表面，打印过程中使用斜式挤出头使得材料内部纤维随打印路径定向排列；最后，在一定条件下的交变磁场中进行后处理固化，使内部的定向磁性纤维在磁力的作用下，浮于材料表面。

Description

一种阻力与润湿性可控的仿生智能表面3D打印方法
技术领域
本发明涉及表面处理技术领域，尤其涉及一种阻力与润湿性可控的仿生智能表面3D打印方法。
背景技术
表面摩擦阻力在运输总阻力中所占比例较大，尤其是水下航行器，最高可达80％。而自然界中动植物为适应恶劣的生存环境经过亿万年的进化已完全适应环境，其进化所得结构功能表面为当今工业领域解决水下表面摩擦阻力这一难题提供了灵感源泉。如Huaiwei Chen等人受鲨鱼体表的肋条和沟槽结构启发，仿制出相关结构功能表面并进行试验，试验结果表明表面减阻效果明显。
但是现有研究仅仅局限于利用热微压成型、微电铸、电火花和滚压成型等技术在材料表面制备出永久的结构功能表面，这些表面结构呈现的是一种永久、不可更变的特性，并不会随着环境不同而发生改变。而实际应用中我们均希望随着所处环境不同，材料表面结构能够有所变化，使其能够适应变化的环境。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种阻力与润湿性可控的仿生智能表面3D打印方法。
本发明的突出优点是利用3D打印技术，成型一种仿生智能表面，该表面会感知环境pH变化产生不同的表观形貌变化，而且材料的润湿性也发生变化，这种结合材料本身属性及仿生设计的智能表面在感知流动液体pH变化时其减阻或增阻效果显著。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种阻力与润湿性可控的仿生智能表面3D打印方法，包括以下步骤：
A、材料组成及制备
组分1：聚2-乙烯基吡啶(P2VP-COOH)(94-99wt.％)、偶联剂处理后的磁性纤维(或经过磁化处理的纤维)(纤维直径为5-13μm，长径比为4-15)(1-6wt.％)和气相二氧化硅(0.2-0.7wt.％)。
组份2：端羧基聚丙烯酸叔丁酯(PBA-COOH)(94-99wt.％)、偶联剂处理后的磁性纤维(或经过磁化处理的纤维)(纤维直径为5-13μm，长径比为4-15)(1-6wt.％)和气相二氧化硅(0.2-0.7wt.％)。
组份3：聚甲基丙烯酸缩水甘油酯(PGMA)(99.2-99.6wt.％)、气相二氧化硅(0.4-0.8wt.％)。
将以上各组分材料按比例混合制备完成备用。
B、仿生智能表面成型
仿生智能表面设计：受鲨鱼体表肋条原型启发，设计一种仿生智能表面，其中表面上肋条长宽比范围为5-40，宽度范围为0.41-5mm，肋条占智能表面面积比例为40-65％，材料表面在感知流动液体pH环境变化后材料的润湿性能发生变化，且表面形貌也会随之改变，以达到减阻或增阻的效果。
根据仿生设计需要可选用多材料3D打印成型或梯度3D打印成型，对于这两种成型方式主要包括以下步骤：
(1)多材料3D打印成型；
①模型建立：首先模型建立时需明晰仿生智能表面在厚度方向上分为两个部分，第一部分是基本接枝层，由基体材料组成，厚度为0.5-1.5mm，第二部分是根据仿生表面设计设置材料分布，包括原始形态的几何形状、纤维取向角度和材料组成，厚度为1-7mm；②切片：通过3D打印专业软件进行切片处理，得到各切片层3D打印的路径和各组分材料分布几何形状；③多材料挤出3D打印：选择斜式挤出头，挤出头的内径范围为0.41-1.20mm，然后将组分1、2和3分别装入到注射筒内，将材料选择性的沉积在所需位置。
(2)梯度3D打印成型；
①模型建立：首先模型建立时需明晰仿生智能表面在厚度方向上分为两个部分，第一部分是基本接枝层，由基体材料组成，厚度为0.5-1.5mm，第二部分是根据仿生表面设计设置材料分布，包括位置点对应材料比例信息和纤维取向角度，厚度为1-7mm；②切片：通过3D打印专业软件进行切片处理，得到各切片层3D打印的路径和位置点对应材料比例信息；③梯度3D打印：选择斜式挤出头作为梯度打印的公共挤出头，挤出头的内径范围为0.41-1.20mm，然后将组分1、2和3分别装入到注射筒内，将各组分材料按比例挤出选择性的沉积在所需位置。
C、后处理
将打印完成的仿生智能表面放置在140-160℃的环境中1.5-2.5h进行后处理，处理过程中在相应的位置上施加适当的交变磁场，强度为0.05T-0.5T，频率为1/60-1/30Hz。
D、仿生智能表面的自适用变化
将打印所得表面作用在所需环境中，材料表面在感知流动液体pH环境变化后材料的润湿性能发生变化，且表面形貌也会随之改变，以响应环境变化达到减阻或增阻的效果，充当着一个自感知与执行的集成装备。
在上述技术方案中，本发明提供的的一种阻力与润湿性可控的仿生智能表面3D打印方法，具有以下有益效果：
1、本发明采用3D打印的方法，将复杂的材料分布变为现实，从而实现了仿生智能表面成型，使得表面的智能特性具有可设计性，且工艺简单、成本低廉；
2、本发明提出的仿生智能表面，在感受环境pH变化时，仿生智能表面会发生形貌的变化，具有良好的变形特性且重复性良好；
3、本发明打印的材料中添加的磁性纤维，从斜式挤出头挤出式后，纤维的取向方向与挤出头的移动路径一致，通过编程3D打印路径就能控制纤维的取向方向。利用这一特点，设计合适的打印路径，在之后的后处理中，施加一定的交变磁场，使内部的定向磁性纤维在磁场力的作用下，浮于材料表面，在智能表面发生变形膨胀时，出现一种自相似结构(如图6)，使得智能表面的减阻或增阻的效果倍增；
4、相比于传统复杂的传感设备，本发明提出的仿生智能表面自身充当一个自感知与执行的集成器，利用自身材料特性产生响应，具有外形装置简单，易于安装等优点。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种阻力与润湿性可控的仿生智能表面3D打印方法在仿生智能表面成型过程中使用的多材料挤出3D打印装备示意图。
图2为本发明一种阻力与润湿性可控的仿生智能表面3D打印方法在仿生智能表面成型过程中使用的梯度3D打印装备示意图。
图3为本发明一种阻力与润湿性可控的仿生智能表面3D打印方法中所涉及的一种自相似结构；
1-磁性纤维(或经过磁化处理的纤维)，2-膨胀后的组分1材料/组分2材料，3-基体材料。
图4为本发明具体实施例1中一种微流体无机械驱动阀门装置其内表面的仿生表面设计简图；
1-组分1材料，2-组分2材料，3-组分3材料。
图5为本发明具体实施例1中一种微流体无机械驱动阀门装置其内表面在感知流动液体pH<7时的表面形貌。
图6为本发明具体实施例1中一种微流体无机械驱动阀门装置其内表面在感知流动液体pH>7时的表面形貌。
图7为本发明具体实施例2中一种用于斜面液体输送路径可控的智能表面的设计简图；
1-组分1材料，2-组分2材料，3-组分3材料。
图8为本发明具体实施例2中一种用于斜面液体输送路径可控的智能表面在感知流动液体pH<7时的表面形貌及液体流动路径。
图9为本发明具体实施例2中一种用于斜面液体输送路径可控的智能表面在感知流动液体pH>7时的表面形貌及液体流动路径。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。
参见图1～图9所示；
实施例1
利用本发明实现的一种微流体无机械驱动阀门装置的设计制造，具体技术方案如下：
A、材料组成及制备
组分1：聚2-乙烯基吡啶(P2VP-COOH)(95wt.％)、偶联剂处理后的磁性纤维(或经过磁化处理的纤维)(纤维直径为5-13μm，长径比为4-15)(4.5wt.％)和气相二氧化硅(0.5wt.％)。
组份2：端羧基聚丙烯酸叔丁酯(PBA-COOH)(95wt.％)、偶联剂处理后的磁性纤维(或经过磁化处理的纤维)(纤维直径为5-13μm，长径比为4-15)(4.5wt.％)和气相二氧化硅(0.5wt.％)。
组份3：聚甲基丙烯酸缩水甘油酯(PGMA)(99.4wt.％)气相二氧化硅(0.6wt.％)。
将以上各组分材料按比例混合制备完成备用。
B、仿生智能表面成型
在本具体实施案例中选择多材料3D打印成型方法，其中仿生智能表面(如图4所示)上竖肋条的长宽比的20，宽度为2mm；横肋条长宽比为5，宽度为2mm；肋条占智能表面面积比例50％。
多材料3D打印成型，具体步骤如下：
①模型建立：首先模型建立时需明晰仿生智能表面在厚度方向上分为两个部分，第一部分是基本接枝层，由基体材料组成，厚度为0.9mm，第二部分是根据仿生表面设计设置材料分布，包括原始形态的几何形状、纤维取向角度和材料组成，厚度为3mm；②切片：通过3D打印专业软件进行切片处理，得到各切片层3D打印的路径和各组分材料分布几何形状；③多材料挤出3D打印：选择斜式挤出头，挤出头的内径范围为0.9mm，然后将组分1、2和3分别装入到注射筒内，将材料选择性的沉积在所需位置。
C、3D打印后处理
将打印完成仿生智能表面放置在140℃的环境中2h中进行后处理，处理过程中在相应的位置上施加适当的交变磁场，强度为0.2T，频率为1/30Hz。
D、仿生智能表面的自适用变化：
将打印所得表面作用于液体输送管道内部，当溶液为低PH时，组分1会产生膨胀，平行于液体流动方向肋条微结构出现在表面(如图5所示)，自相似结构出现，并且材料呈现超疏水特性，使得液体的流动阻力变小，流动速度变快；而当流动液体为高pH时，原来膨胀的组分1收缩至原形状，组分2材料膨胀(如图5所示)，自相似结构出现，肋条微结构垂直于液体流动方向，使得液体流动阻力变大，流动速度变小或为0。
实施例2
利用本发明实现的一种用于斜面液体输送路径可控的智能表面的设计制造，具体技术方案如下：
A、材料组成及制备
组分1：聚2-乙烯基吡啶(P2VP-COOH)(94wt.％)、偶联剂处理后的磁性纤维(或经过磁化处理的纤维)(纤维直径为5-13μm，长径比为4-15)(5.3wt.％)和气相二氧化硅(0.7wt.％)。
组份2：端羧基聚丙烯酸叔丁酯(PBA-COOH)(94wt.％)、偶联剂处理后的磁性纤维(或经过磁化处理的纤维)(纤维直径为5-13μm，长径比为4-15)(5.3wt.％)和气相二氧化硅(0.7wt.％)。
组份3：聚甲基丙烯酸缩水甘油酯(PGMA)(99.5wt.％)气相二氧化硅(0.5wt.％)。
将以上各组分材料按比例混合制备完成备用。
B、仿生智能表面成型
在本具体实施案例中选择梯度3D打印成型方法，其中仿生智能表面(如图7所示)上横肋条长宽比为20，宽度为2mm；肋条占智能表面面积比例55％。
梯度3D打印成型，具体步骤如下：
①模型建立：首先模型建立时需明晰仿生智能表面在厚度方向上分为两个部分，第一部分是基本接枝层，由基体材料组成，厚度为0.8mm，第二部分是根据仿生表面设计设置材料分布，包括位置点对应材料比例信息和纤维取向角度，厚度为5mm；②切片：通过3D打印专业软件进行切片处理，得到各切片层3D打印的路径和位置点对应材料比例信息；③梯度3D打印：选择斜式挤出头作为梯度打印的公共挤出头，挤出头的内径范围为1.1mm，然后将组分1、2和3分别装入到注射筒内，将各组分材料按比例挤出选择性的沉积在所需位置。
C、3D打印后处理
将打印完成仿生智能表面放置在140-160℃的环境中1.5h中进行后处理，处理过程中在响应的位置上施加适当的交变磁场，强度为0.3T，频率为1/40Hz。
D、仿生智能表面的自适用变化
将此智能表面作用在一定倾斜角度的斜坡上，当溶液为低pH时，组分1会产生膨胀，液体输送路径如图8箭头所指；而当流动液体为高pH时，原来膨胀的组分1收缩至原形状，组分2材料膨胀，液体输送路径如图9箭头所指。两种情况下液体的流动速度不同的，而液体流动速度直接影响其物品的运输速度。
以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (1)

1.一种阻力与润湿性可控的仿生智能表面3D打印方法，具体打印步骤如下：
A、材料组成及制备
组分1：聚2-乙烯基吡啶，重量百分比为94-99wt.％、偶联剂处理后的磁性纤维或经过磁化处理的纤维，纤维直径为5-13μm，长径比为4-15，重量百分比为1-6wt.％和气相二氧化硅，重量百分比为0.2-0.7wt.％；
组份2：端羧基聚丙烯酸叔丁酯PBA-COOH，重量百分比为94-99wt.％、偶联剂处理后的磁性纤维或经过磁化处理的纤维，纤维直径为5-13μm，长径比为4-15，重量百分比为1-6wt.％和气相二氧化硅，重量百分比为0.2-0.7wt.％；
组份3：聚甲基丙烯酸缩水甘油酯PGMA，重量百分比为99.2-99.6wt.％、气相二氧化硅，重量百分比为0.4-0.8wt.％；
将以上各组分材料按比例混合制备完成备用；
B、仿生智能表面成型
仿生智能表面设计：受鲨鱼体表肋条原型启发，设计一种仿生智能表面，其中表面上肋条长宽比范围为5-40，宽度范围为0.41-5mm，肋条占智能表面面积比例为40-65％，材料表面在感知流动液体pH环境变化后材料的润湿性能发生变化，且表面形貌也会随之改变，以达到减阻或增阻的效果；
根据仿生设计需要可选用多材料3D打印成型或梯度3D打印成型，对于这两种成型方式主要包括以下步骤：
(1)多材料3D打印成型；
①模型建立：首先模型建立时需明晰仿生智能表面在厚度方向上分为两个部分，第一部分是基本接枝层，由基体材料组成，厚度为0.5-1.5mm，第二部分是根据仿生表面设计设置材料分布，包括原始形态的几何形状、纤维取向角度和材料组成，厚度为1-7mm；②切片：通过3D打印专业软件进行切片处理，得到各切片层3D打印的路径和各组分材料分布几何形状；③多材料挤出3D打印：选择斜式挤出头，挤出头的内径范围为0.41-1.20mm，然后将组分1、2和3分别装入到注射筒内，将材料选择性的沉积在所需位置；
(2)梯度3D打印成型；
①模型建立：首先模型建立时需明晰仿生智能表面在厚度方向上分为两个部分，第一部分是基本接枝层，由基体材料组成，厚度为0.5-1.5mm，第二部分是根据仿生表面设计设置材料分布，包括位置点对应材料比例信息和纤维取向角度，厚度为1-7mm；②切片：通过3D打印专业软件进行切片处理，得到各切片层3D打印的路径和位置点对应材料比例信息；③梯度3D打印：选择斜式挤出头作为梯度打印的公共挤出头，挤出头的内径范围为0.41-1.20mm，然后将组分1、2和3分别装入到注射筒内，将各组分材料按比例挤出选择性的沉积在所需位置；
C、后处理
将打印完成的仿生智能表面放置在140-160℃的环境中1.5-2.5h进行后处理，处理过程中在相应的位置上施加适当的交变磁场，强度为0.05T-0.5T，频率为1/60-1/30Hz；
D、仿生智能表面的自适用变化
将打印所得表面作用在所需环境中，材料表面在感知流动液体pH环境变化后材料的润湿性能发生变化，且表面形貌也会随之改变，以响应环境变化达到减阻或增阻的效果，充当着一个自感知与执行的集成装备。
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Inventor after: Liu Qingping

Inventor after: Han Zhiwu

Inventor after: Zhou Xueli

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Inventor after: He Yulin

Inventor after: Lin Feng

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Inventor before: Liu Qingping

Inventor before: Zhou Xueli

Inventor before: Song Zhengyi

Inventor before: He Yulin

Inventor before: Lin Feng

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