一种仿生海洋防污皮肤及其制备方法转让专利
申请号 : CN202110092480.9
文献号 : CN112898626B
文献日 : 2021-12-28
发明人 : 田丽梅 , 靳会超 , 王建福 , 殷玥 , 高铭谣 , 商延赓 , 赵杰 , 孙霁宇
申请人 : 吉林大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种仿生海洋防污皮肤,其特征在于,其由底层、多孔微结构层、微胶囊、仿珊瑚触手和仿珊瑚粘液组成,所述的底层由硅橡胶和聚氨酯复合而成,多孔微结构层为硅橡胶材质, 其多孔微结构的孔径1~100μm;仿珊瑚触手由硅橡胶制成,触手为梯形圆柱或圆台状,触手高度h的范围为5~15mm,触手圆心间距a的范围为1mm~5mm,触手的末端直径和底部直径比m:n范围为0.5~0.8;仿珊瑚粘液为硅油或食用油,涂覆在多孔微结构层表面;多孔微结构层中还包含有1~3 wt%的微胶囊,微胶囊粒径50~1000μm,所述的微胶囊包裹硅油或食用油;微胶囊壁材为海藻酸钙,海藻酸钙与硅油/可食用油的质量比范围为2~0.5:1。
2.根据权利要求1所述的仿生海洋防污皮肤,其特征在于,底层厚度为1~5mm。
3.根据权利要求1所述的仿生海洋防污皮肤,其特征在于,多孔微结构层的厚度为1~
5mm。
4.根据权利要求1所述的仿生海洋防污皮肤,其特征在于,底层中硅橡胶与聚氨酯的质量比范围为1:1~4。
5.一种如权利要求1所述的仿生海洋防污皮肤的制备方法,其特征在于,制备步骤如下:
(1)仿生微胶囊的制备
采用天然聚合物海藻酸钙作为壁材,硅油或可食用油作为芯材制备仿生微胶囊来模拟珊瑚粘液的分泌;首先将2g硅油或可食用油加入到200ml去离子水中,然后加入10~40g的表面活性剂,然后磁力搅拌5分钟~1小时制备油/水乳液,之后加入海藻酸钙溶液并超声1个小时,海藻酸钙溶液中海藻酸钙与硅油/可食用油的质量比范围为2~0.5:1;之后缓慢加入3~5%浓度的氯化钙溶液并磁力搅拌,在显微镜下观察胶囊的形成情况,等大量胶囊形成后,将所得溶液移入真空干燥箱中真空干燥数小时,最后得到仿生微胶囊;
(2)仿珊瑚触手的制备
此步骤对仿生触手的制作采用脱模法/影印法;首先采用3D打印触手的负模具,然后在硅橡胶溶液中加入固化剂,用机械搅拌器搅拌30分钟,搅拌完成后移入真空干燥箱中脱泡,抽真空20分钟,直到没有气泡冒出;将脱泡完成后的硅橡胶溶液倒入3D打印的负模具中,让溶液均匀流到每一个孔隙中,然后将模具移到加热平台在60℃下加热1个小时此时硅橡胶溶液未完全固化,然后用塑料片刮走模具中的多余硅橡胶,只剩下触手部分;
(3)仿生多孔微结构层的制备
多孔微结构层的制备主要采用牺牲模板法,首先将PDMS加入乙酸乙酯,PDMS与乙酸乙酯的质量比为范围为1~3:1,在机械搅拌器下搅拌1个小时,然后将一定量的牺牲粒子加入上述溶液中,牺牲粒子与硅橡胶的质量比范围为8~1:1,然后再加入1~3 wt%步骤(1)中制备的仿生微胶囊,在机械搅拌器搅拌1个小时,之后超声1个小时增加分散性;将上述溶液移入真空干燥箱中在80℃下进行脱泡处理,将乙酸乙酯蒸发完毕;然后在上述溶液中加入硅橡胶的固化剂,在机械搅拌器下搅拌30分钟,然后再次移入真空干燥箱中脱泡处理,等到没有气泡冒出时,取出溶液倒入步骤(2)的含触手的模具中,倒入的溶液厚度为1~5mm,然后移到加热平台在60℃下加热1个小时,此时触手基本固化完成,而多孔微结构层为半固化状态;
(4)底层的制备
在硅橡胶中加入聚氨酯,硅橡胶与聚氨酯的质量比范围为1:1~4,然后加入10~20 wt%的固化剂并在机械搅拌器搅拌1个小时,然后移入真空干燥箱中进行脱泡处理,在没有气泡冒出时,将溶液倒入步骤(3)的多孔微结构层上面,之后将模具移到加热平台上,在60℃下加热3个小时,直到所有涂层完成固化;
(5)多孔微结构的形成
将步骤(4)得到的固化成形的防污皮肤和模具分离,放到100℃热水中,将步骤(3)中的牺牲粒子溶解掉,溶解完毕后,在真空干燥箱中干燥,直到表面不再有水分,最后得到多孔微结构;
(6)涂覆硅油/可食用油
将硅油或可食用油缓慢滴到步骤(5)所获取的样品表面,使表面存在薄薄一层硅油或可食用油,即可得到所述的仿生海洋防污皮肤。
6.根据权利要求5所述的仿生海洋防污皮肤的制备方法,其特征在于,步骤(3)中所述的牺牲粒子为NaCl颗粒和/或葡萄糖颗粒。
说明书 :
一种仿生海洋防污皮肤及其制备方法
技术领域
背景技术
下表面逐渐积累造成表面粗糙度的上升,从而造成船体航行阻力的上升,为了保持航速,则
需要更多的燃料消耗,直接带来了运输成本的上升。过量的燃料使用还会增强CO2、SO2等温
室气体的排放,导致温室效应。生物污损还会加速水下表面的腐蚀,造成表面的破损,影响
海洋中设备、设施的安全,同时也增加了维护成本。海洋生物污损还会造成生物入侵,当污
损生物随船到达另一个海域时,可能由于没有天敌而对当地的生态系统造成毁灭性破坏。
传统的防污防腐涂层由于含有毒物质而逐渐被世界各种禁用,开发新型绿色、高效的防污
防腐涂层成为装备表面防护所面临的重大技术难题。
防污性能失效,从而使它们的应用价值大大减少。仿生超滑表面(SLIPS)是一种新型高效、
绿色的防污技术,SLIPS是由润滑液/多孔微结构组成的二元表面,目前报道的SLIPS由于润
滑液容易在流体冲刷作用下流失而长期使用稳定性较差,并且在基底上的附着力差,这些
缺点限制了它们的工程应用。 花环肉质软珊瑚(Sarcophyton trocheliophorum)是一种固
着生长在海底岩石上的海洋生物(图1),发明人通过长期观察发现珊瑚在海洋环境中总是
保持干净整洁的表面,说明其有防污能力。通过研究发现珊瑚有多重防污策略:(1)SLIPS防
污,其表面存在SLIPS液固二元基本结构,通过分泌粘液保持其SLIPS稳定性及表现出防污
性能;(2)表面触手扫掠防污,珊瑚表面触手通过摆动使污损生物难以附着。另外的研究发
现,珊瑚在流体作用下并不会被冲走,因此其和基底的附着力较大。
发明内容
质,的厚度为1~5mm,其多孔微结构的孔径1~100μm,多孔微结构层中还包含有1~3 wt%的
微胶囊(粒径50~1000μm),所述的微胶囊包裹硅油或或食用油,多孔微结构层表面还设有
仿珊瑚触手,仿珊瑚触手由硅橡胶制成,触手为梯形圆柱或圆台状,触手高度h的范围为5~
15mm,触手圆心间距a的范围为1mm~5mm,触手的末端直径和底部直径比m:n范围为0.5~
0.8;仿珊瑚粘液为硅油或食用油,涂覆在多孔微结构层表面。
Span 80),表面活性剂质量分数为5~20 wt%,然后磁力搅拌5分钟~1小时制备油/水乳液,
之后加入海藻酸钙溶液(海藻酸钙与硅油/可食用油的质量比范围为2~0.5:1)并超声1个
小时,之后缓慢加入3~5%浓度的氯化钙溶液并磁力搅拌,在显微镜下观察胶囊的形成情
况,等大量胶囊形成后,将所得溶液移入真空干燥箱中真空干燥数小时,最后得到仿生微胶
囊。
中脱泡,抽真空20分钟,直到没有气泡冒出。将脱泡完成后的硅橡胶溶液倒入3D打印的负模
具中,让溶液均匀流到每一个孔隙中,然后将模具移到加热平台在60℃下加热1个小时(此
时硅橡胶溶液未完全固化),然后用塑料片刮走模具中的多余硅橡胶,只剩下触手部分。
牲粒子与硅橡胶的质量比范围为8~1:1),然后再加入1~3 wt%步骤(1)中制备的仿生微胶
囊,在机械搅拌器搅拌1个小时,之后超声1个小时增加分散性。将上述溶液移入真空干燥箱
中在80℃下进行脱泡处理,将乙酸乙酯蒸发完毕。然后在上述溶液中加入硅橡胶的固化剂,
在机械搅拌器下搅拌30分钟,然后再次移入真空干燥箱中脱泡处理,等到没有气泡冒出时,
取出溶液倒入步骤(2)的含触手的模具中,倒入的溶液厚度约为1~5mm,然后移到加热平台
在60℃下加热1个小时,此时触手基本固化完成,而多孔微结构层为半固化状态。
有气泡冒出时,将溶液倒入步骤(3)的多孔微结构层上面,之后将模具移到加热平台上,在
60℃下加热3个小时,直到所有涂层完成固化。
多孔微结构。
附图说明
具体实施方式
Span 80),表面活性剂质量分数为5~20 wt%,然后磁力搅拌一定时间(5分钟~1小时)制备
油/水乳液,之后加入海藻酸钙溶液(海藻酸钙与硅油/可食用油的质量比范围为2:1~0.5:
1)并超声1个小时,之后缓慢加入3~5%浓度的氯化钙溶液并磁力搅拌,在显微镜下观察胶
囊的形成情况,等大量胶囊形成后,将所得溶液移入真空干燥箱中真空干燥数小时,最后得
到仿生微胶囊。
真空干燥箱中脱泡,抽真空20分钟,直到没有气泡冒出。将脱泡完成后的硅橡胶溶液倒入3D
打印的负模具中,让溶液均匀流到每一个孔隙中,然后将模具移到加热平台在60℃下加热1
个小时(此时硅橡胶溶液未完全固化),然后用塑料片刮走模具中的多余硅橡胶,只剩下触
手部分。
萄糖颗粒)加入上述溶液中(牺牲粒子:硅橡胶质量比范围为8:1~1:1),然后再加入1~3
wt%步骤(1)中制备的仿生微胶囊,在机械搅拌器搅拌1个小时,之后超声1个小时增加分散
性。将上述溶液移入真空干燥箱中在80℃下进行脱泡处理,将乙酸乙酯蒸发完毕。然后在上
述溶液中加入硅橡胶的固化剂,在机械搅拌器下搅拌30分钟,然后再次移入真空干燥箱中
脱泡处理,等到没有气泡冒出时,取出溶液倒入步骤(2)的含触手的模具中,倒入的溶液厚
度约为1~5mm,然后移到加热平台在60℃下加热1个小时,此时触手基本固化完成,而多孔
微结构层为半固化状态。
液倒入步骤(3)的多孔微结构层上面,之后将模具移到加热平台上,在60℃下加热3个小时,
直到所有涂层完成固化。
多孔微结构。
性能测试。在测试中,以纯硅橡胶作为对照组,对本发明的防污皮肤浸入上述细菌溶液中在
水流冲刷作用下培育7天,测试结果如图4所示。由实验后的光学图像可以看出,本发明防污
皮肤表面相对干净,表面白斑状细菌膜较少,而对照组的纯硅橡胶表面较脏。光密度
(Optical density, OD)在600nm波长处的测量结果如图4柱状图所示,同样证明了本发明
防污皮肤的防污效果出众。
纯硅橡胶有显著提高。
损生物脱附。
面,从而增强SLIPS的稳定性。
IPN),从而提升本发明防污皮肤与基底的附着力,增强其工程应用能力。