CN115558374A - 一种具有水上水下减阻性能的超疏水涂层的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有水上水下减阻性能的超疏水涂层的制备方法，涉及材料表面减阻处理技术领域，本发明使用乙醇代替具有较大毒性的丙酮来制备环氧树脂/氧化锌涂层，不仅克服了现有技术对生产制造的人员健康不友好的技术问题，还将超疏水氧化锌/环氧树脂涂层接触角提高到了161°，且其滚动角小于1°，具有优异的超疏水性；该涂层表面能够在与水接触后形成空气层，从而对水上和水下的运动物体所受到的阻力进行有效的调控，由钢球水下自由落体试验和模型船水上航行试验发现该超疏水涂层的水下和水上减阻效率分别为19％和21％。

Description

一种具有水上水下减阻性能的超疏水涂层的制备方法
技术领域
本发明涉及材料表面减阻处理技术领域，具体涉及一种具有水上水下减阻性能的超疏水涂层的制备方法。
背景技术
社会和经济的持续发展极大的增加了对资源和能源的需求，随着陆地资源的不断消耗，海洋资源逐渐成为勘探和开放的新方向。货船、航母、潜艇等水上/水下航行器的能耗率是评价其性能优劣的重要参数，而这些水上/水下航行器所受到的最大能耗在于克服航行中所受到的阻力。因此，减小水上/水下航行器在航行期间所受到的阻力不仅可以提高航行速度，而且还能大幅降低其能耗。
水上/水下航行器在航行期间所受到的阻力主要是由波浪阻力、压力阻力和摩擦阻力共同组成。研究发现，在固体表面引入空气层可以将液/固界面处的阻力转换为液/气/固界面的阻力，从而有效降低航行器所受到的阻力。截至目前，已经提出了许多通过引入空气层来减少阻力的方法，如Leidenfrost效应、微气泡减阻以及超疏水涂层减阻。其中，由于超疏水涂层能够在与水接触时自然的产生一层空气层，因此超疏水涂层的制备和应用比Leidenfrost效应和微气泡减阻更为简便，具有更加广阔的应用前景。
超疏水表面的减阻技术来源于对荷叶润湿性的研究，通过对荷叶表面的微观形貌以及化学成分的研究制备出了各种超疏水表面，并将其应用于减阻领域。我们在过往研究中，发现环氧树脂/氧化锌涂层具有较好的超疏水性能，比如《氧化锌/环氧树脂超疏水涂层制备及其水雾收集与油水分离性能研究》一文中，就公开了一种环氧树脂/氧化锌涂层的制备方法，利用环氧树脂、氧化锌以及丙酮溶液制备前驱体溶液，而后将其涂在待处理表面上，成功制备了接触角为158.7°的超疏水氧化锌/环氧树脂涂层。然而其中使用到的丙酮溶液具有较大的毒性，对于生产制造的人员健康不友好，且该技术目前主要应用于水雾收集与油水分离领域，其应用于水上水下设备的接触角以及减阻性能数据都还不得而知。
发明内容
针对现有技术中的上述问题，本发明提供一种具有水上水下减阻性能的超疏水涂层的制备方法，以解决现有环氧树脂/氧化锌涂层制备过程中丙酮危害人体健康产生有毒污染的技术问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种具有水上水下减阻性能的超疏水涂层的制备方法，包括如下步骤：
(1)环氧树脂/氧化锌混合溶液的制备：将环氧树脂、固化剂、氧化锌颗粒和乙醇混合后通过磁力搅拌得到环氧树脂/氧化锌混合溶液；
(2)环氧树脂/氧化锌涂层的制备：利用喷枪使环氧树脂/氧化锌的混合溶液均匀的喷涂至基底表面，将涂覆后的基底表面放入烘箱中干燥后得到环氧树脂/氧化锌涂层；
(3)超疏水环氧树脂/氧化锌涂层的制备：将干燥后的环氧树脂/氧化锌涂层浸入硬脂酸/乙酸/乙醇的混合溶液中，取出后自然风干即可得到超疏水环氧树脂/氧化锌涂层。
优选的，步骤(1)中，环氧树脂、固化剂、氧化锌颗粒和乙醇的质量比为3～5:1～2:5～10:9～12。
优选的，步骤(1)中，磁力搅拌时间为10～50分钟。
优选的，步骤(2)中，所述基底表面为钢球或模型船表面。
优选的，步骤(2)中，所述烘箱的干燥温度为40～80℃，干燥时间为6～24小时。
优选的，步骤(3)中，所述硬脂酸/乙酸/乙醇的质量比为0.5～2.0:0.16～0.60:5～40。
优选的，步骤(3)中，自然风干时间为6～24小时。
综上所述，相比于现有技术，本发明具有如下优点及益效果：
1、本发明使用乙醇代替具有较大毒性的丙酮来制备环氧树脂/氧化锌涂层，不仅克服了现有技术对生产制造的人员健康不友好的技术问题，还将超疏水氧化锌/环氧树脂涂层接触角提高了，最高提高到了161°，且其滚动角小于1°，具有优异的超疏水性；
2、本发明制备的涂层表面能够在与水接触后形成空气层，从而对水上和水下的运动物体所受到的阻力进行有效的调控，由钢球水下自由落体试验和模型船水上航行试验发现该超疏水涂层的水下和水上减阻效率分别为19％和21％；
3、本发明提出的一种具有水上/水下减阻性能的超疏水涂层的制备方法，其制备工艺简单、制备成本低且适用于各种基底。
附图说明
图1为实施例1所制备的超疏水涂层的接触角及滚动角大小实验图；
图2为实施例1所制备的超疏水涂层的表面形貌图；
图3为水上减阻试验装置图；
图4为水下减阻试验装置图；
图5为原始模型船和超疏水模型船(实施例1)在不同拉力下速度随时间的变化图；
图6为不同直径的光滑钢球和超疏水钢球(实施例3)在充满水的圆柱筒中自由落体时速度随时间的变化图；
图7为对比例1所制备的超疏水涂层的接触角实验图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和各实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
本发明涉及到的超疏水模型船以及超疏水钢球进行减阻试验，试验过程如下：
1.水上减阻试验：在模型船内部放置70g的重物以保证使模型船的部分船体保持在水面以下。通过细线将模型船的前端与重物相连，令重物在重力的作用下自由下落，从而使得模型船能够在一个长度为900mm的水箱中移动。利用高速摄像机以每秒240帧的速度记录其运动过程，通过瞬时速度和最终速度计算超疏水涂层的减阻率。
2.水下减阻试验：在一个高度为1120mm的圆柱筒中充满水。将钢球固定在离水面一定高度的位置使钢球自由下落。利用高速摄像机以每秒240帧的速度记录其运动过程，通过瞬时速度和最终速度计算超疏水涂层的减阻率。
实施例1
本实施例提出的一种具有水上/水下减阻性能的超疏水涂层的制备方法，其制备方法如下：
(1)环氧树脂/氧化锌混合溶液的制备：将环氧树脂、固化剂、氧化锌颗粒和乙醇按质量比为3:1:5:9的比例混合后通过30分钟磁力搅拌得到环氧树脂/氧化锌混合溶液。
(2)环氧树脂/氧化锌涂层的制备：利用喷枪使环氧树脂/氧化锌的混合溶液均匀的喷涂至模型船表面，将涂覆后的模型船放入80℃的烘箱中干燥6小时后得到环氧树脂/氧化锌涂层。
(3)超疏水环氧树脂/氧化锌涂层的制备：将干燥后的环氧树脂/氧化锌涂层浸入质量分别为1.2g、0.4g和15g的硬脂酸/乙酸/乙醇的混合溶液中，取出后自然风干12小时即可得到超疏水环氧树脂/氧化锌涂层。
接触角测量：取实施例1中的超疏水涂层，对其进行接触角测量，得到该超疏水涂层接触角为161°，滚动角小于1°，具有优异的超疏水性(图1)。
表面形貌测量：取实施例1中的超疏水涂层，对其进行表面形貌分析，发现与原始样品表面相比，该超疏水涂层具有多级微纳米结构，这使得其能够在水下产生一层空气层(图2)。
减阻效率测试：以实施例1中的制备方法处理模型船表面形成超疏水表面涂层，利用图3的试验装置检测超疏水涂层的水上减阻能力。由试验结果可知，在不同的拉力下，超疏水模型船的最终速度始终大于原始模型船的最终速度，当拉力从86N增加到215N时，减阻效率从5％上涨至21％(如图5所示)。
实施例2
本实施例提出的一种具有水上/水下减阻性能的超疏水涂层的制备方法，其制备方法如下：
(1)环氧树脂/氧化锌混合溶液的制备：将环氧树脂、固化剂、氧化锌颗粒和乙醇按质量比为5:2:10:12的比例混合后通过50分钟磁力搅拌得到环氧树脂/氧化锌混合溶液。
(2)环氧树脂/氧化锌涂层的制备：利用喷枪使环氧树脂/氧化锌的混合溶液均匀的喷涂至模型船表面，将涂覆后的模型船放入80℃的烘箱中干燥12小时后得到环氧树脂/氧化锌涂层。
(3)超疏水环氧树脂/氧化锌涂层的制备：将干燥后的环氧树脂/氧化锌涂层浸入质量分别为1.2g、0.4g和15g的硬脂酸/乙酸/乙醇的混合溶液中，取出后自然风干12小时即可得到超疏水环氧树脂/氧化锌涂层。
接触角测量：取实施例2中的超疏水涂层，对其进行接触角测量，得到该超疏水涂层接触角为157°，滚动角为2°。
实施例3
本实施例提出的一种具有水上/水下减阻性能的超疏水涂层的制备方法，其制备方法如下：
(1)环氧树脂/氧化锌混合溶液的制备：将环氧树脂、固化剂、氧化锌颗粒和乙醇按质量比为3:1:5:9的比例混合后通过30分钟磁力搅拌得到环氧树脂/氧化锌混合溶液。
(2)环氧树脂/氧化锌涂层的制备：利用喷枪使环氧树脂/氧化锌的混合溶液均匀的喷涂至钢球表面，将涂覆后的钢球放入80℃的烘箱中干燥6小时后得到环氧树脂/氧化锌涂层。
(3)超疏水环氧树脂/氧化锌涂层的制备：将干燥后的环氧树脂/氧化锌涂层浸入质量分别为1.2g、0.4g和15g的硬脂酸/乙酸/乙醇的混合溶液中，取出后自然风干12小时即可得到超疏水环氧树脂/氧化锌涂层。
接触角测量：取实施例3中的超疏水涂层，对其进行接触角测量，得到该超疏水涂层接触角为159.3°，滚动角小于1°，具有优异的超疏水性。
减阻效率测试：以实施例3中的制备方法处理钢球表面形成超疏水表面涂层，利用图4的试验装置检测超疏水涂层的水下减阻能力。由试验结果可知，直径为20mm和30mm的超疏水钢球的减阻效率分别为17％和19％(如图6所示)。
实施例4
本实施例提出的一种具有水上/水下减阻性能的超疏水涂层的制备方法，其制备方法如下：
(1)环氧树脂/氧化锌混合溶液的制备：将环氧树脂、固化剂、氧化锌颗粒和乙醇按质量比为5:2:10:12的比例混合后通过50分钟磁力搅拌得到环氧树脂/氧化锌混合溶液。
(2)环氧树脂/氧化锌涂层的制备：利用喷枪使环氧树脂/氧化锌的混合溶液均匀的喷涂至钢球表面，将涂覆后的钢球放入80℃的烘箱中干燥12小时后得到环氧树脂/氧化锌涂层。
(3)超疏水环氧树脂/氧化锌涂层的制备：将干燥后的环氧树脂/氧化锌涂层浸入质量分别为1.2g、0.4g和15g的硬脂酸/乙酸/乙醇的混合溶液中，取出后自然风干12小时即可得到超疏水环氧树脂/氧化锌涂层。
接触角测量：取实施例4中的超疏水涂层，对其进行接触角测量，得到该超疏水涂层接触角为157.4°，滚动角为2°。
对比例1
本对比例采用丙酮为溶剂制备环氧树脂/氧化锌涂层，其制备方法如下：
(1)环氧树脂/氧化锌混合溶液的制备：将环氧树脂、固化剂、氧化锌颗粒和丙酮按质量比为3:1:5:9的比例混合后通过30分钟磁力搅拌得到环氧树脂/氧化锌混合溶液，通过30分钟磁力搅拌得到环氧树脂/氧化锌混合溶液。
(2)环氧树脂/氧化锌涂层的制备：利用喷枪使环氧树脂/氧化锌的混合溶液均匀的喷涂至模型船表面，将涂覆后的模型船放入80℃的烘箱中干燥6小时后得到环氧树脂/氧化锌涂层。
(3)超疏水环氧树脂/氧化锌涂层的制备：将干燥后的环氧树脂/氧化锌涂层浸入质量分别为1.2g、0.4g和15g的硬脂酸/乙酸/乙醇的混合溶液中，取出后自然风干12小时即可得到超疏水环氧树脂/氧化锌涂层。
接触角测量：取对比例1中的超疏水涂层，对其进行接触角测量得到该超疏水涂层的接触角仅为154°(如图7所示)，不难知道，采用丙酮制备得到的环氧树脂/氧化锌涂层，其超疏水性能远低于本发明其他实施例的方法所制备的超疏水表面，对应的，减阻性能也难以和本申请其他实施例的方法所制备的超疏水表面媲美。
以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (7)

1.一种具有水上水下减阻性能的超疏水涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)环氧树脂/氧化锌混合溶液的制备：将环氧树脂、固化剂、氧化锌颗粒和乙醇混合后通过磁力搅拌得到环氧树脂/氧化锌混合溶液；
(2)环氧树脂/氧化锌涂层的制备：利用喷枪使环氧树脂/氧化锌的混合溶液均匀的喷涂至基底表面，将涂覆后的基底表面放入烘箱中干燥后得到环氧树脂/氧化锌涂层；
(3)超疏水环氧树脂/氧化锌涂层的制备：将干燥后的环氧树脂/氧化锌涂层浸入硬脂酸/乙酸/乙醇的混合溶液中，取出后自然风干即可得到超疏水环氧树脂/氧化锌涂层。
2.如权利要求1所述的具有水上水下减阻性能的超疏水涂层的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，环氧树脂、固化剂、氧化锌颗粒和乙醇的质量比为3～5:1～2:5～10:9～12。
3.如权利要求1所述的具有水上水下减阻性能的超疏水涂层的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，磁力搅拌时间为10～50分钟。
4.如权利要求1所述的具有水上水下减阻性能的超疏水涂层的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述基底表面为钢球或模型船表面。
5.如权利要求1所述的具有水上水下减阻性能的超疏水涂层的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述烘箱的干燥温度为40～80℃，干燥时间为6～24小时。
6.如权利要求1所述的具有水上水下减阻性能的超疏水涂层的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述硬脂酸/乙酸/乙醇的质量比为0.5～2.0:0.16～0.60:5～40。
7.如权利要求1所述的具有水上水下减阻性能的超疏水涂层的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，自然风干时间为6～24小时。
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