CN110452536A - 一种表面纹理可控的智能仿生防污材料 - Google Patents
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Abstract
一种表面纹理可控智能防污材料，以电活性聚合物为基料，内部掺杂半导体材料、导体材料及磁性材料等物质，在外加电场改变的情况下，表面会呈现不同纹理，对藤壶幼体等海洋动物类微生物具有良好的抑制作用，48h的抑制附着率可达90%以上，可为船舶用新型、环保、高效的智能仿生减阻防污材料开发提供一种新机理、新方法及新途径。
Description
技术领域
本发明属于化工材料技术领域，具体地说本发明涉及一种表面纹理可控的智能仿生防污材料的设计及其应用。
背景技术
国外在智能仿生防污材料方面开展了大量研究，虽然还未能实现大规模推广应用，但这些研究起到了引领未来新型、环保、长效、智能防污材料发展的作用。美国的研究人员Brennan等开展了大量防鲨鱼皮微结构防污材料的研究，其利用可视翻模的方法研制的Sharklet AFTM微结构材料可以有效防止藻类、藤壶等污损海生物的附着，使其附着率降低85%左右。由欧盟资助，12个国家31家研究单位共同参与的AMBIO项目对微/纳防污结构进行了研究，如基于多壁碳纳米管、海泡石构建微纳结构、基于氟硅共聚材料通过微相分离制备微结构等，试验表明这些微/纳结构能防止藻类和藤壶的附着。美国研究人员Scardino的研究结果表明，微结构的防污机制与生物附着点的“接触点”有关，污损生物能否形成有效附着取决于被附着物表面能否提供足够的接触点，微结构和附着生物尺寸的比例关系会影响接触点的多少。大型哺乳动物鲨鱼等的表皮除存在微米级的表皮微细结构外，其表皮还能够分泌出特殊的黏液，在其皮肤表面形成一种粘液层，该粘液层不利于海生物的附着生长。聚乙二醇（PEG）、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺等水凝胶材料与海洋动物表皮的粘液具有很大的相似性，非常适合用来模仿研究水凝胶仿生防污材料。目前，该技术在使用方面已经获得了一定的突破。HEMPEL公司率先推出了基于水凝胶技术的有机硅防污涂料Hempasil X3，凝胶聚合物通过缓慢分离释放，在涂层表面与海水作用形成凝胶，能够大幅提高涂料抗水藻和粘泥污损的性能。国际涂料公司（IP）的Intersleek 900涂料，是基于氟聚合物的防污材料，其重要特征之一就是在非极性表面引入极性基团形成两亲性表面（Amphiphilic），使表面同时具有亲水和疏水的性质，对于亲水吸附或疏水吸附的海生物，均能够减少生物吸附的化学作用力和静电作用力，从而实现防污。
根据最新的研究报道，美国麻省理工学院（MIT）的研究人员们开发出了一种可设计软性材料的方法，能够在改变色彩或萤光的同时也导致素材纹理变化。这种新材料基本上是一层电活性弹性体，通过不同的结构设计，可获得纹理与萤光，或纹理与颜色同时发生变化的智能材料。这种纹理变化主要通过嵌入弹性体中的机械响应性分子---导致萤光或色彩因应外加电压而改变。当电压释放后，弹性体与分子都会回到放松状态。防污性能试验结果表明，材料表面纹理的短暂变化，可快速、有效除去90%以上的污损生物。该项目由美国海军研究办公室、美国陆军研究实验室，以及美国国家科学基金会（NSF）赞助支持。
由以上研究结果可知，美国海军及一些欧盟国家正在积极开展智能防污材料的研制，为将来研制环保长效防污涂料奠定重要的技术基础。
国内在智能防污材料方面的研究尚未见相关报道。但开展了一些仿生防污材料方面的研究，并取得了一定成绩。中船重工七二五所利用化学自组装的方法制备了微形貌材料，在大量的实验数据基础上，构建了TPW模型，能较好预测复杂微结构对硅藻、石莼孢子等微生物附着/脱附的规律，为表面微形貌长效防污材料研制奠定基础。武汉理工大学研究人员选用疏水性高性能丙烯酸系高分子材料为涂料基体，再配合亲水性天然无毒高分子柿丹宁抗菌吸水树脂，利用互穿网络的方法复合形成具有亲水性一疏水性物质微相分离表皮结构的涂料，具有一定的防污效果。
本发明选择一种电活性弹性体材料作为基体材料，内部掺杂一些导体材料（如碳纳米管、石墨烯）及磁性材料（如氧化铁）等物质，在外场电压作用下，通过导体材料的导电作用，使磁性材料发生定向排布，从而实现表面纹理变化。这种变化可使平滑的表面出现粗糙、凹凸的质感，能快速除去材料表面的污损生物，或使污损生物不易附着或附着不牢，从而达到防污目的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种表面纹理可控的智能仿生防污材料，可为船舶用新型、环保、高效的智能仿生减阻防污材料开发提供一种新机理、新方法及新途径。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的智能仿生防污材料采用电活性聚合物为基料，内部掺杂半导体材料、导体材料及磁性材料等物质。
智能仿生防污材料在外场电压作用下，通过导体材料的导电作用，磁性材料发生定向排布，使防污材料表面能够产生较大尺寸或形状的变化，形成一定的纹理。
智能仿生防污材料在外场电压改变时，材料表面纹理会不断发生变化。
智能仿生防污材料在外场电压撤销时，材料会恢复到原来的形状或体积。
电活性聚合物与半导体材料、导体材料、磁性材料等物质的掺杂工艺为物理共混或化学共价接枝。
电活性聚合物包括硅橡胶树脂、聚酯树脂和氢化丁腈橡胶等，其在外加电场刺激下能够产生较大尺寸或形状变化，撤销电场后会恢复到原来的形状或体积，这个过程伴随着应力和应变的产生。
半导体材料、导体材料及磁性材料包括碳纳米管、石墨烯、导电高分子聚苯胺、氧化铁及TiO2等。
本发明的特征是：
先将半导体材料、导体材料、磁性材料等物质与稀释剂混合，制成混合均一的溶液；在高速分散下，将电活性聚合物和颜填料混合均匀；最后采用球磨工艺将以上两种物质混合，并添加触变剂提高材料的流平性。
上述电活性聚合物包括硅橡胶树脂、聚酯树脂和氢化丁腈橡胶等。
上述半导体材料、导体材料及磁性材料包括碳纳米管、石墨烯、导电高分子聚苯胺、氧化铁及TiO2等。
由于采用如上所述技术方案，本发明产生如下积极效果。
（1）本发明的表面纹理可控的智能仿生防污材料在外加电场改变的情况下，表面会呈现不同纹理，对藤壶幼体等海洋动物类微生物具有良好的抑制作用，48h的抑制附着率可达90%以上。
（2）本发明的表面纹理可控的智能仿生防污材料可为船舶用新型、环保、高效的智能仿生减阻防污材料开发提供一种新机理、新方法及新途径。
本发明实际上是一种表面纹理可控的智能仿生防污材料，基料为电活性聚合物，内部掺杂半导体材料、导体材料及磁性材料等物质。在外场电压作用下，通过导体材料的导电作用，磁性材料发生定向排布，使防污材料表面能够产生较大尺寸或形状的变化，形成一定的纹理。在外场电压改变时，材料表面纹理会不断发生变化。在外场电压撤销时，材料会恢复到原来的形状或体积。
电活性聚合物与半导体材料、导体材料、磁性材料等物质的掺杂工艺为物理共混或化学共价接枝。
电活性聚合物包括硅橡胶树脂、聚酯树脂和氢化丁腈橡胶等，其在外加电场刺激下能够产生较大尺寸或形状变化，撤销电场后会恢复到原来的形状或体积，这个过程伴随着应力和应变的产生。
通过下表所举的四个实施例可以更详细的解释本发明，本发明并不局限于下面的实施例，公开本发明的目的旨在保护本发明范围内的一切变化和改进。
实施例1：硅橡胶树脂20份、碳纳米管3份、导电高分子聚苯胺5份、氧化铁5份、TiO215份、氧化锌5份、滑石粉20份、铁红5份、二甲苯/醋酸丁酯21.5份、Super浆0.5份。
实施例2：聚酯树脂20份、碳纳米管3份、导电高分子聚苯胺5份、氧化铁10份、TiO210份、氧化锌10份、滑石粉15份、铁红5份、二甲苯/醋酸丁酯21.5份、Super浆0.5份。
实施例3：氢化丁腈橡胶20份、石墨烯3份、导电高分子聚苯胺5份、氧化铁15份、TiO25份、氧化锌15份、滑石粉10份、铁黄5份、二甲苯/醋酸丁酯21.5份、Super浆0.5份。
实施例4：硅橡胶树脂5份、聚酯树脂10份、氢化丁腈橡胶5份、石墨烯3份、导电高分子聚苯胺5份、氧化铁18份、TiO212份、氧化锌20份、滑石粉5份、铁红5份、二甲苯/醋酸丁酯11.5份、Super浆0.5份。
根据上表四个实施例中各组份的重量份配比，先将电活性聚合物放入活性稀释剂中进行溶解得到溶解物，之后将所述溶解物倒入高速分散机中进行高速分散，高速分散时先加入触变剂，高速分散15min后再依次加入导体材料、半导体材料、磁性材料、颜料和填料并进行第二次高速分散均匀，第二次高速分散均匀的时间不少于15min并得到分散物，最后采用砂磨机或是球磨机将所述分散物研磨至粒度小于100μm时即可配制出100重量份的表面纹理可控智能仿生防污材料。
上表四个实施例配制出的四份表面纹理可控智能仿生防污材料经室内藤壶附着试验，其试验结果如下。
实施例1具有良好的防污效果，材料表面对藤壶幼体的抑制附着率为90%。
实施例2具有良好的防污效果，材料表面对藤壶幼体的抑制附着率为95%。
实施例3具有良好的防污效果，材料表面对藤壶幼体的抑制附着率为70%。
实施例4具有良好的防污效果，材料表面对藤壶幼体的抑制附着率为76%。
实施例3和实施例4的防污效果不如实施例1和实施例2，建议按实施例2配制表面纹理可控智能仿生防污材料。
本发明表面纹理可控智能仿生防污材料的最佳配制方法如下。
将20重量份的聚酯树脂放入10重量份的二甲苯/醋酸丁酯混合溶剂中进行溶解得到溶解物，之后将所述溶解物倒入高速分散机中进行高速分散，高速分散时先加入0.5重量份的Super浆，高速分散15min后再依次加入3重量份的碳纳米管、5重量份的导电高分子聚苯胺、10重量份的氧化铁、10重量份的TiO2、10重量份的氧化锌、10重量份的滑石粉、5重量份的铁红/铁黄/铁黑并进行第二次高速分散均匀，第二次高速分散均匀的时间不少于15min并得到分散物，最后采用砂磨机或是球磨机将所述分散物研磨至粒度小于100μm时即可配制出表面纹理可控智能仿生防污材料。
Claims (9)
1.一种表面纹理可控的智能仿生防污材料，基料为电活性聚合物，内部掺杂半导体材料、导体材料及磁性材料等物质；在外场电压作用下，通过导体材料的导电作用，磁性材料发生定向排布，使防污材料表面能够产生较大尺寸或形状的变化，形成一定的纹理；在外场电压改变时，材料表面纹理会不断发生变化；在外场电压撤销时，材料会恢复到原来的形状或体积。
2.电活性聚合物包括硅橡胶树脂、聚酯树脂和氢化丁腈橡胶等；
导体材料或是碳纳米管、石墨烯；
半导体材料是导电高分子聚苯胺；
磁性材料或是氧化铁、TiO2；
填料或是氧化锌、滑石粉；
颜料或是铁红、铁黄、铁黑；
稀释剂是二甲苯/醋酸丁酯混合物；
触变剂是Super浆。
3.其特征是：
先将电活性聚合物放入活性稀释剂中进行溶解得到溶解物，之后将所述溶解物倒入高速分散机中进行高速分散，高速分散时先加入触变剂，高速分散15min后再依次加入导体材料、半导体材料、磁性材料、颜料和填料并进行第二次高速分散均匀，第二次高速分散均匀的时间不少于15min并得到分散物，最后采用砂磨机或是球磨机将所述分散物研磨至粒度小于100μm时即可配制出100重量份的表面纹理可控智能仿生防污材料。
4.根据权利要求1所述一种表面纹理可控的智能仿生防污材料，其特征是：最佳配制方法如下：
将20重量份的聚酯树脂放入10重量份的二甲苯/醋酸丁酯混合溶剂中进行溶解得到溶解物，之后将所述溶解物倒入高速分散机中进行高速分散，高速分散时先加入0.5重量份的Super浆，高速分散15min后再依次加入3重量份的碳纳米管、5重量份的导电高分子聚苯胺、10重量份的氧化铁、10重量份的TiO2、10重量份的氧化锌、10重量份的滑石粉、5重量份的铁红/铁黄/铁黑并进行第二次高速分散均匀，第二次高速分散均匀的时间不少于15min并得到分散物，最后采用砂磨机或是球磨机将所述分散物研磨至粒度小于100μm时即可配制出表面纹理可控智能仿生防污材料。
5.根据权利要求1所述一种表面纹理可控的智能仿生防污材料，其特征是：电活性聚合物是硅橡胶树脂、聚酯树脂和氢化丁腈橡胶的任一种，或是其任两种组合，或是其三种组合。
6.根据权利要求1所述一种表面纹理可控的智能仿生防污材料，其特征是：导体材料或是碳纳米管、石墨烯中的任一种，或是两种组合。
7.根据权利要求1所述一种表面纹理可控的智能仿生防污材料，其特征是：磁性材料或是氧化铁、TiO2的任一种，或是其两种组合。
8.根据权利要求1所述一种表面纹理可控的智能仿生防污材料，其特征是：填料或是氧化锌以及滑石粉中的任一种，或是其两种组合。
9.根据权利要求1所述一种表面纹理可控的智能仿生防污材料，其特征是：颜料或是铁红、铁黄以及铁黑中的任一种，或是其任两种的复合色，或是其三种的复合色。
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