CN112300618A - 一种仿生阵列结构表面防污减阻材料 - Google Patents

Abstract

本发明属于海洋防污材料技术领域，具体涉及一种仿生阵列结构表面防污减阻材料，借鉴人厌槐叶萍叶片表面微观结构，采用树脂材料制备表面结构，然后利用硅烷偶联剂和纳米SiO₂接枝修饰仿生结构头部，采用PDMS浇铸法获得根部疏水特性，利用有机硅材料结构和疏水性达到防污和减阻效果，放入海水中后，表面会形成一层水下空气层，阵列结构和空气层可起到抗生物附着和减阻的作用；其特殊的结构和表面特性，制备方法简单，原料易得，具有仿生交叉环状柱头结构和疏水特性，可用于快艇、UUV、水下滑翔机、船舶、水下航行器等表面，防止污损生物附着、减小运行阻力、降低船舶能耗，具有潜在的应用前景。

Description

一种仿生阵列结构表面防污减阻材料

技术领域：

本发明属于海洋防污材料技术领域，具体涉及一种仿生阵列结构表面防污减阻材料，能够在海洋环境中，防除船舶表面附着污损生物，减小船舶运行阻力。

背景技术：

海洋生物污损会对船舶等造成严重危害，包括增大船舶航行阻力、破坏设施防护涂层和腐蚀船体基材等。防污减阻材料是防除船舶外表面水下生物污损、减小船体运行阻力的最外层防护材料。生物污损发生在与生物接触的海水材料界面处，使船体粗糙度增加，航行阻力增大。船体表面状态直接影响污损生物的附着行为。构建可抑制污损生物附着且具有减阻性的表面是新型防污减阻材料的研发方向。中国专利201710009658.2公开的一种水下静音、减阻、防污仿生壳体，硬质壳基体外表面分布平行状或放射状U型沟槽，U型沟槽由在基体外表面上若干条微型脊状结构形成，在各沟槽内基体外表面上有呈规则点阵分布的球冠形凹坑，脊状结构宽度即U型沟槽壁厚度为0.01mm～2cm，槽壁高度为0.01mm～2cm，平行状U型沟槽宽度为2mm～10cm，放射状U型沟槽的最大宽度为2mm～10cm，U型沟槽内基体外表面上分布的球冠形凹坑底圆直径为0.2mm～1cm，凹坑间距为0.2mm～5cm，U型沟槽内基体外表面上分布的球冠形凹坑深度占基体厚度的0.1％～50％。中国专利202010179457.9公开的一种微结构表面防污材料，组成包括端羟基聚二甲基硅氧烷、固化剂、丙烯腈接枝有机硅树脂和水溶性有机胺，端羟基聚二甲基硅氧烷的粘度为300-20000厘泊，固化剂为辛酸亚锡、二月桂酸二丁基锡、二丁基二乙酰基锡等中的一种与硅40、硅40改性物或三烷氧基硅烷中的一种混合形成的复配物，三烷氧基硅烷是三甲氧基硅烷和三乙氧基硅烷，三甲氧基硅烷包括甲基三甲氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷和氨基丙基三甲氧基硅烷，三乙氧基硅烷包括甲基三乙氧基硅烷和乙烯基三乙氧基硅烷，丙烯腈接枝有机硅树脂中丙烯腈的质量百分比为1-10％，水溶性有机胺为水溶性仲胺、伯胺，包括乙二胺、三乙烯四胺、二乙烯三胺，能够在氢键中形成电子供体。中国专利CN201710556739.4公开的一种微结构与防污活性物质协同防污材料，由若干个呈圆形井筒状结构的微结构基本单元形成的矩阵式排列组成，微结构基本单元的外径为20微米，微结构基本单元的内径为10微米，微结构基本单元的间距为20微米，微结构基本单元的深度为5-20微米，微结构基本单元的内部下层填充有防污活性物质，微结构基本单元的内部上层填充有封闭剂；所述微结构基本单元为聚二甲基硅氧烷有机硅表面微结构；防污活性物质包括异噻唑啉酮、Econea、柳酰胺类防污剂、Irgarol和吡啶硫酮锌；封闭剂包括聚二甲基硅氧烷硅油、全氟聚醚、石蜡和聚乙二醇水凝胶。中国专利201711241565.9公开的一种一种微纳结构与疏水改质改性相复合的仿生减阻表面结构，包括：基底层、肋条、弧形凸台和充气孔；其中，肋条、弧形凸台和充气孔均设置在基底层上，一方面形成了表面层的沟槽结构，另一方面具有疏水斜坑结构；肋条等间距排布在基底层上，肋条高度为：5～10um，相邻两个肋条之间的间隔为：50～100um；相邻两个肋条之间排布有弧形凸台；其中，各弧形凸台等间距排布，相邻两个弧形凸台沿肋条方向的间隔为：100～200um；两个相邻弧形凸台之间设置有一充气孔，充气孔的直径为：5～10um；肋条高度大于弧形凸台高度；其中，各弧形凸台呈设定倾斜角度设置在基底层上，两个相邻弧形凸台与基底层形成密排孔；其中，设定倾斜角度为：5°～90°；当设定倾斜角度为90°时，基底层的具体结构包括：设置在基底层底面的一敞口空腔；其中，充气孔设置在基底层上、与所述敞口空腔联通；当设定倾斜角度不为90°时，基底层的具体结构包括：一气体腔和一进气口；其中，充气孔设置在基底层上、与所述气体腔联通，进气口设置在所述气体腔的顶端或尾端；密排孔、气体腔、敞口空腔均充满气体，形成非连续分布的气垫，从而减小了水流与减阻表面的固液接触面积，达到减阻目的，气垫非连续分布易于长久保持气体封存状态。上述专利产品均属于空气层防污减阻材料，存在结构单一、制造复杂等问题。因此，研发设计一种制备方法简单、拥有复杂结构的空气层防污减阻材料是急需解决的技术问题。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计一种特定结构尺寸和排列的仿人厌槐叶萍叶片结构的防污减阻材料，达到减少污损生物附着，降低水下固体表面行进阻力的目的。

为了实现上述目的，本发明涉及的仿生阵列结构表面防污减阻材料的主体结构包括基体层、表面结构层、疏水层和改性层；基体层上设置有表面层结构层，基体层与表面结构层之间设置有疏水层，表面结构层的顶部外包有改性层。

本发明涉及的表面结构层由若干个呈矩阵排列的防污减阻单元构成，两个相邻的防污减阻单元的水平间距与竖直间距均相同，间距范围为20-2400μm；每个防污减阻单元均由头环和支柱上下两部分组成，头环在上，支柱在下；头环为交叉环状结构，由两个垂直相交的圆环组成，圆环的内直径d1为10-1000μm，外直径d2比内直径大4-1000μm，圆环的宽度I为4-800μm；支柱为圆柱体结构，支柱的直径d为5-2500μm，高度h为20-1500μm。

本发明涉及的基体层和表面结构层的材质均为材料为高分子材料，包括但不限于ABS树脂、环氧树脂、丙烯酸树脂、PLA树脂和LCD树脂。

本发明涉及的仿生阵列结构表面防污减阻材料的制备工艺过程包括制备基体层和表面结构层、制备改性层和制备疏水层共三个步骤：

(一)制备基体层和表面结构层：通过3D打印、模板压印、精密机械加工、精密微电铸、精密微电解、电子束、激光刻蚀和翻模的方法完成基体层和表面结构层的整体制备；

(二)制备改性层：用等离子体处理头环的表面，使头环的表面产生羟基基团，再将纳米SiO₂颗粒、硅烷偶联剂接枝到头环的表面，完成改性层的制备，其中，硅烷偶联剂包括但不限于KH550和KH560；

(三)制备疏水层：将聚二甲基硅氧烷PDMS浇入支柱的根部，掩盖支柱高度的10-90％，完成疏水层的制备，置于80℃的烘箱中烘干8-24h，得到仿生阵列结构表面防污减阻材料。

本发明与现有技术相比，借鉴人厌槐叶萍叶片表面微观结构，采用树脂材料制备表面结构，然后利用硅烷偶联剂和纳米SiO₂接枝修饰仿生结构头部，采用PDMS浇铸法获得根部疏水特性，利用有机硅材料结构和疏水性达到防污和减阻效果，放入海水中后，表面会形成一层水下空气层，阵列结构和空气层可起到抗生物附着和减阻的作用，经水下鼓泡法测试空气接触角的初始小于20度，并且能够很快铺展形成空气层，对贻贝足丝附着的抑制率达到90％以上，通过流动水槽减阻测试，减阻率达到40％以上，对典型污损生物的附着具有明显的抑制作用，能够显著降低流体阻力；其特殊的结构和表面特性，制备方法简单，原料易得，具有仿生交叉环状柱头结构和疏水特性，可用于快艇、UUV、水下滑翔机、船舶、水下航行器等表面，防止污损生物附着、减小运行阻力、降低船舶能耗，具有潜在的应用前景。

附图说明：

图1为本发明的主体结构原理示意图。

图2为本发明涉及的防污减阻单元矩阵排列的示意图。

图3为本发明涉及的防污减阻单元的A-A视图。

图4为本发明涉及的防污减阻单元的主体结构侧视图。

图5为本发明涉及的防污减阻单元的主体结构立体图。

图6为本发明涉及的防污减阻单元的俯视图。

图7为本发明实施例1制备的防污减阻单元矩阵排列的示意图。

图8为本发明实施例1制备的防污减阻单元的外观视图。

图9为本发明实施例1涉及的人厌槐叶萍叶片表面结构的激光共聚焦显微镜照片。

图10为本发明实施例4涉及的仿生阵列结构表面防污减阻材料和空白ABS树脂材料的压差对比示意图。

具体实施方式：

下面通过实施实例并结合附图对本发明做进一步描述。

实施例1：

本实施例涉及的仿生阵列结构表面防污减阻材料的主体结构包括基体层1、表面结构层2、疏水层3和改性层4；基体层1上设置有表面层结构层2，基体层1与表面结构层2之间设置有疏水层3，表面结构层2的顶部外包有改性层4；表面结构层2由若干个呈矩阵排列的防污减阻单元20构成，两个相邻的防污减阻单元20的水平间距与竖直间距均为2000μm；每个防污减阻单元20均由头环21和支柱22上下两部分组成，头环21与支柱22的顶端固定连接，支柱22的底端与基体层1固定连接；头环21为交叉环状结构，由两个垂直相交的立体圆环组成，圆环的内直径d1为600μm，外直径d2为1200μm，圆环的宽度I为400μm；支柱22为圆柱体结构，支柱22的直径d为1200μm，高度h为700μm。

本实施例涉及的仿生阵列结构表面防污减阻材料的仿生结构设计来源于人厌槐叶萍叶片的表面结构，人厌槐叶萍叶片具有水下疏水特性，可形成水下空气层，通过激光共聚焦显微镜观察显示，人厌槐叶萍叶片的绒毛结构排列较为规律，有明显的绒毛结构，绒毛由上下两部分组成，其中，上半部分为由两个顶端与底部相交的近似圆环构成的“头部”结构，下半部分为支撑“头部”结构的柱状结构。

实施例2：

本实施例涉及的基体层1和表面结构层2的材质均为材料为高分子材料，包括但不限于ABS树脂、环氧树脂、丙烯酸树脂、PLA树脂和LCD树脂。

本发明涉及的仿生阵列结构表面防污减阻材料的制备工艺过程包括制备基体层1和表面结构层2、制备改性层4和制备疏水层3共三个步骤：

(一)制备基体层1和表面结构层2：将ABS树脂通过3D打印方式制备成基体层1和表面结构层2，其中，基体层1的尺寸为150mm×75mm；

(二)制备改性层4：将头环21倒悬再纳米SiO₂颗粒和硅烷偶联剂KH560的混合样品中，使头环21的表面具有疏水改性；

(三)制备疏水层3：将聚二甲基硅氧烷PDMS浇入支柱22的根部，掩盖支柱22高度的50％，完成疏水层3的制备，置于80℃的烘箱中烘干10h，得到仿生阵列结构表面防污减阻材料。

实施例3：

本实施例涉及仿生阵列结构表面防污减阻材料对贻贝足丝附着的抑制率测试：将实施例2制备的仿生阵列结构表面防污减阻材料和空白ABS树脂材料同时放入海水中，分别在两组材料的表面放置10个贻贝，24h后观察两组材料表面上贻贝足丝的分泌附着数量，与空白ABS树脂材料对贻贝足丝附着的抑制率比较计算得到：仿生阵列结构表面防污减阻材料对贻贝足丝附着的抑制率为92％。

实施例4：

本实施例涉及仿生阵列结构表面防污减阻材料减阻率测试：将实施例2制备的仿生阵列结构表面防污减阻材料和空白ABS树脂材料同时放入流道式冲刷装置中，采用不同流速的水流分别进行冲刷，测试经过材料的水流的前后两侧的压差，根据公式：(空白ABS树脂材料压差-仿生阵列结构表面防污减阻材料压差)/空白ABS树脂材料压差计算得知，在不同的流速下仿生阵列结构表面防污减阻材料均具有减阻效果，冲刷流速越低减阻效果越好，例如：流速为6.5m/s时，仿生阵列结构表面防污减阻材料减阻率为41.2％，流速为2m/s时，仿生阵列结构表面防污减阻材料的减阻率为82.3％。

Claims (7)

1.一种仿生阵列结构表面防污减阻材料，其特征在于主体结构包括由头环和支柱组成的防污减阻单元，头环在上，支柱在下。

2.根据权利要求1所述的仿生阵列结构表面防污减阻材料，其特征在于头环为交叉环状结构，由两个垂直相交的圆环组成；支柱为圆柱体结构。

3.根据权利要求2所述的仿生阵列结构表面防污减阻材料，其特征在于圆环的内直径d1为10-1000μm，外直径d2比内直径大4-1000μm，圆环的宽度I为4-800μm；支柱的直径d为5-2500μm，高度h为20-1500μm。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的仿生阵列结构表面防污减阻材料，其特征在于若干个防污减阻单元矩阵排列构成表面结构层，两个相邻的防污减阻单元的水平间距与竖直间距均相同，间距范围为20-2400μm。

5.根据权利要求4所述的仿生阵列结构表面防污减阻材料，其特征在于表面层结构层设置上基体层上，基体层与表面结构层之间设置有疏水层，表面结构层的顶部外包有改性层。

6.根据权利要求5所述的仿生阵列结构表面防污减阻材料，其特征在于基体层和表面结构层的材质均为材料为高分子材料，包括但不限于ABS树脂、环氧树脂、丙烯酸树脂、PLA树脂和LCD树脂。

7.根据权利要求5所述的仿生阵列结构表面防污减阻材料，其特征在于制备工艺过程包括制备基体层和表面结构层、制备改性层和制备疏水层共三个步骤：

(一)制备基体层和表面结构层：通过3D打印、模板压印、精密机械加工、精密微电铸、精密微电解、电子束、激光刻蚀和翻模的方法完成基体层和表面结构层的整体制备；

(二)制备改性层：用等离子体处理头环的表面，使头环的表面产生羟基基团，再将纳米SiO₂颗粒、硅烷偶联剂接枝到头环的表面，制备得到改性层，其中，硅烷偶联剂包括但不限于KH550和KH560；

(三)制备疏水层3：将聚二甲基硅氧烷PDMS浇入支柱的根部，掩盖支柱高度的10-90％，制备得到疏水层，置于80℃的烘箱中烘干8-24h，得到仿生阵列结构表面防污减阻材料。

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