基于貝殼表面仿生的防污減阻協(xié)同效應(yīng)表面的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域，具體涉及一種基于貝殼表面仿生的防污減阻協(xié)同效應(yīng)表面的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]海洋運(yùn)輸是國際貿(mào)易和經(jīng)濟(jì)全球化的支柱，我國遠(yuǎn)洋航運(yùn)的貨運(yùn)量已居世界第二位。航速低、運(yùn)輸周期長已成為航運(yùn)的主要缺點(diǎn)。航速難以提高的原因在于流體介質(zhì)中，摩擦阻力與速度成平方關(guān)系，與推進(jìn)功率成立方關(guān)系，提高航速的代價是高能耗與高排放。此夕卜，任何新的或經(jīng)過清潔處理的船舶只要浸入到海水中，很快就會有海洋污損生物附著在船體表面形成船舶污底，導(dǎo)致船舶自重和航行阻力劇增，船速和機(jī)動性降低，燃油消耗增加15-50%，進(jìn)水管路堵塞，船體腐蝕加重，進(jìn)塢維修次數(shù)增多等，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，同時生物污損使得幾乎所有減阻技術(shù)都無法在船舶實(shí)際工程應(yīng)用，成為制約海軍艦船高速化的關(guān)鍵，因此，減阻與防污問題已成為航運(yùn)界多年來未解決的瓶頸技術(shù)問題，目前為止還沒有形成防止海洋污損生物附著及減阻的有效應(yīng)用技術(shù)。
[0003]目前，防止或清除海洋污損生物對船體的附著，主要是通過在船舶表面涂裝防污涂料來實(shí)現(xiàn)的。傳統(tǒng)的防污涂料是利用涂料中釋放出的銅、錫、汞、鉛等毒料來殺死海生物的，這雖然能減少海生物的污損，但有害物質(zhì)的釋放給生態(tài)環(huán)境和人類健康也造成了危害。因此，世界各國從上世紀(jì)就開始限制或禁止含三丁基錫涂料的使用，其它有毒的防污涂料也將陸續(xù)被禁止。所以，開發(fā)環(huán)境友好型防污涂料是當(dāng)今船舶防污減阻研究方向的主流。
[0004]理想的防污涂料是不含生物滅殺劑的，但具有防污和使污損物易脫落的能力?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，海洋中的許多生物如鯊魚、海豚、紫貽貝、海蟹等盡管在海洋中生活，但其外殼和皮膚表面很少附著海洋生物。實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果表明，這些海洋生物的表皮并不是光滑的，而是存在著微米級的結(jié)構(gòu)，這種微結(jié)構(gòu)在船舶防污減阻方面有著巨大的作用。目前國內(nèi)外關(guān)于表面微結(jié)構(gòu)防污、減阻的研究中，大多數(shù)主要集中在以鯊魚和海豚為研究對象。鯊魚和海豚在海水中的行進(jìn)速度非常快，而海洋污損生物的附著量是和船舶在港灣停靠的時間成正比的，停靠的時間越長，附著的量就越大，船舶在航行時則附著較少。因此，以鯊魚和海豚作為船舶防污、減阻的仿生對象和工程實(shí)際有著一定的差別，貝殼通常以相對靜止的狀態(tài)存在于海洋中，即使移動起來也很緩慢，因此選擇貝殼作為仿生對象更符合船體表面主要在靜止?fàn)顟B(tài)下發(fā)生污損，動態(tài)下又需要減阻的實(shí)際情況。
[0005]專利《基于鯊魚皮表面和基體結(jié)構(gòu)的仿生減阻膜材及其制備方法》(公開號CN102145567A)基于鯊魚表皮和基本結(jié)構(gòu)，通過制備彈性表層、粘彈柔性底層和具有盾甲鱗溝槽結(jié)構(gòu)的模具，然后將所制備的彈性表層和粘彈柔性底層疊加放入具有盾甲鱗溝槽結(jié)構(gòu)的模具中，并使彈性表層貼近復(fù)制有鯊魚皮盾甲鱗溝槽結(jié)構(gòu)的一面，經(jīng)過硫化、脫模得到具備雙重減阻功能的仿鯊魚皮。該方法將表面微結(jié)構(gòu)與材料基體的仿生相結(jié)合，使所制備的仿生減阻膜材的基體和表面分別體現(xiàn)了鯊魚皮基體的力學(xué)特性和表面的盾甲鱗溝槽結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了鯊魚皮的雙重減阻效應(yīng)。對于該表面結(jié)構(gòu)的防污性能并沒有進(jìn)行研究。
[0006]專利《一種鯊魚皮表面微溝槽結(jié)構(gòu)的復(fù)制方法》(公開號CN101966753A)公開了一種鯊魚皮表面微溝槽結(jié)構(gòu)的復(fù)制方法，屬于生物約束成型技術(shù)領(lǐng)域。其實(shí)施步驟依次是:鯊魚皮預(yù)處理；噴脫模劑；不飽和樹脂澆注；抽真空；硅橡膠脫模。由以上步驟可獲得硅橡膠仿制鯊魚皮薄膜，能夠復(fù)制得到鯊魚盾甲鱗微溝槽結(jié)構(gòu)。該表面對減阻存在作用，但減阻尺度并未進(jìn)行篩選，且沒有涉及到防污作用。
[0007]專利《一種復(fù)制鯊魚皮表面微形結(jié)構(gòu)的制備方法》(公開號CN101513760)提出了復(fù)制鯊魚皮表面微形結(jié)構(gòu)的制備方法。該專利利用熱壓成型法，利用硅橡膠熱壓得到鯊魚皮盾甲鱗微結(jié)構(gòu)。與專利CN101966753A類似，該專利僅僅是對鯊魚皮表面結(jié)構(gòu)的復(fù)制，并未對減阻尺度進(jìn)行優(yōu)化分析，且沒有涉及防污結(jié)構(gòu)。
[0008]專利《一種高分子仿生減阻表面及其制備裝置》(公開號CN103407210A)涉及一種高分子仿生減阻表面的制備方式。該專利利用靜電紡絲法仿照鯊魚皮表面，制備一種高分子仿生減阻表面，靜電紡絲法獲得的射流或纖維為微納米級，配合高分子材料表面，可高度熔融結(jié)合，滿足減阻要求。但該專利沒有對防污領(lǐng)域進(jìn)行涉及。
[0009]專利《一種脊?fàn)钗⒔Y(jié)構(gòu)表面的防污材料制備方法》(公開號CN102304233A)涉及一種海洋環(huán)境下防除船舶殼體表面的附著海生物的仿生防污材料的制備方法，以聚二甲基硅氧烷為基底材料，在對基體材料表面進(jìn)行羥基化處理后，先將鈦酸四丁酯吸附在基體材料表面形成表面吸附，再利用鈦酸四丁酯的水解特性，在聚二甲基硅氧烷表面水解形成T12凝膠膜層，然后利用聚丙烯酸乙醇溶液與T12膜層進(jìn)行自組裝反應(yīng)，即得表面具有脊?fàn)钗⒔Y(jié)構(gòu)特征的防污材料。該專利不需要利用生物表面原型，僅僅依靠分子自組裝原理，形成的表面微結(jié)構(gòu)特征抑制了生物在材料表面形成污損時的發(fā)生條件。但該專利形成的脊?fàn)畋砻嬷荒芊乐购Ｑ笊锏奈蹞p，并未對材料表面減阻性能進(jìn)行研究。
[0010]專利《高性能仿生防污復(fù)合涂料及其合成方法》(公開號CN102408807A)涉及一種高性能仿生防污復(fù)合涂料及其合成方法。該專利通過混合丙烯酸基體樹脂、仿生功能基體樹脂和助劑(Fe2O3和T12),成膜干燥后得到的表面形成類似于鯊魚皮膚的微米級凸起條紋，且為微相分離結(jié)構(gòu)。該專利利用化學(xué)方法制備出了類似鯊魚皮表層結(jié)構(gòu)，具有防污減阻的效果。但專利中各組分的制備過程復(fù)雜，所需化學(xué)制劑種類繁多，形成的涂料在水流的沖刷下會存在少量的VOC排放，造成環(huán)境影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:提供一種基于貝殼表面仿生的防污減阻協(xié)同效應(yīng)表面的制備方法。
[0012]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案為:一種基于貝殼表面仿生的防污減阻協(xié)同效應(yīng)表面的制備方法，其特征在于:它包括以下步驟:
51、根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)確定仿生防污貝殼種類；
52、采用材料表面形貌測試儀，結(jié)合表面形貌仿真數(shù)字化軟件，獲取防污貝殼表面形貌特征，構(gòu)建貝殼表面微結(jié)構(gòu)幾何模型，建立貝殼表面微結(jié)構(gòu)幾何模型的特征參數(shù)表達(dá)；
53、提取貝殼表面具有防污性能的尺度范圍，構(gòu)建具有防污性能的貝殼表面微結(jié)構(gòu)幾何模型；
54、利用流體分析軟件，在貝殼的防污尺度范圍內(nèi)進(jìn)行減阻性能分析，獲得貝殼表面防污、減阻一體化的最佳尺度范圍；
55、基于S3得到的具有防污性能的貝殼表面微結(jié)構(gòu)幾何模型、以及S4獲得的最佳尺度范圍，選定符合要求的具備防污減阻協(xié)同效應(yīng)的貝殼表面；
56、利用S5選定的貝殼表面，采用聚二甲基硅氧烷和環(huán)氧樹脂制備得到符合要求的仿貝殼表面。
[0013]按上述方法，所述的SI中的現(xiàn)有技術(shù)包括國內(nèi)外有關(guān)表面微結(jié)構(gòu)防污、減阻技術(shù)的理論分析、試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬仿真方面的研究成果，以及表面微結(jié)構(gòu)防污、減阻技術(shù)的現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢與工程應(yīng)用情況。
[0014]按上述方法，所述的S2中材料表面形貌測試儀包括光學(xué)顯微鏡、表面輪廓儀、掃描電子顯微鏡、激光共焦顯微鏡、白光干涉儀和原子力顯微鏡，分別從毫米、微米、納米尺度獲取多尺度防污貝殼表面二維及三維形貌特征。
[0015]按上述方法，所述的S6的制備步驟如下:
O貝殼表面預(yù)處理:對貝殼表面進(jìn)行清潔處理；
2)防污減阻協(xié)同效應(yīng)仿生表面的陰模制備:
根據(jù)貝殼的大小及成形厚度，按10:1的比例分別用燒杯稱取一定量的聚二甲基硅氧烷及其固化劑，將聚二甲基硅氧烷與固化劑混合攪拌均勻后置于真空箱中進(jìn)行脫氣；將脫氣后的聚二甲基硅氧烷澆注到預(yù)處理后的貝殼上，使其將貝殼表面完全覆蓋后再次進(jìn)行真空脫氣；聚二甲基硅氧烷室溫固化后脫模得到仿貝殼表面的陰模板；
3)防污減阻協(xié)同效應(yīng)仿生表面成形:
按2:1的比例分別用燒杯稱取一定量的環(huán)氧樹脂A、B雙組份，將兩組分?jǐn)嚢杈鶆蚝笾糜谡婵障渲羞M(jìn)行脫氣；將脫氣后的環(huán)氧樹脂澆注到仿貝殼表面的聚二甲基硅氧烷陰模板上，使其將陰模板完全覆蓋后再次進(jìn)行真空脫氣；環(huán)氧樹脂