專利名稱：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
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及減阻材料，特別是涉及一種以鯊魚皮為減阻模板的仿生減阻膜材。
背景技術(shù)：
在自然界中，相對(duì)運(yùn)動(dòng)的物體之間不可避免地存在著摩擦阻力。有資料表明，一般 的船舶在運(yùn)動(dòng)時(shí)，表面摩擦阻力約占總阻力的70 80%。就船舶和其它水下運(yùn)動(dòng)物體(如 潛艇、魚雷等)的表面減阻而言，人類已進(jìn)行了長(zhǎng)期不懈的努力，并從對(duì)游得最快的海洋生 物鯊魚、海豚的觀察與研究中得到了很多啟示。海洋中的速度之王-鯊魚不僅具有完美的 流線體形，使其游動(dòng)時(shí)的形狀阻力最少；其皮膚表面粗糙的微結(jié)構(gòu)——三維互鎖的盾甲鱗 溝槽結(jié)構(gòu)，也叫肋條(riblet)結(jié)構(gòu)，對(duì)減阻也有較大的貢獻(xiàn)。關(guān)于鯊魚皮表面盾甲鱗溝槽 結(jié)構(gòu)的仿生與應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外科學(xué)家們進(jìn)行了大量的探索，取得了一些令人振奮的研究成果。 例如，SPEEDO公司研制的“快皮”(FASTSKIN)仿鯊魚皮泳衣在2000年悉尼奧運(yùn)會(huì)上創(chuàng)造了 奇跡，這種泳衣面料狀似鯊魚皮膚，其表面布滿齒狀V形凹槽，用這種材料制成的泳衣更加 貼身，可使游泳者所受的總阻力減少4%。美國(guó)宇航局將類似鯊魚皮的肋條結(jié)構(gòu)應(yīng)用于飛 行器的表面以減少阻力，飛機(jī)的飛行阻力減少了 6.6%。近幾十年來(lái)，人們關(guān)于鯊魚皮膚減 阻的研究，主要集中于其表面堅(jiān)硬的溝槽型非光滑表面-盾甲鱗結(jié)構(gòu)。結(jié)合前人對(duì)海豚高 速游動(dòng)時(shí)其彈性皮膚發(fā)生的形貌變化及其作用以及柔性壁的減阻機(jī)理，鯊魚的彈性皮膚也 對(duì)其高速的游動(dòng)有一定的貢獻(xiàn)。根據(jù)生物的進(jìn)化理論和規(guī)律，鯊魚在自然界中經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的 進(jìn)化，其皮膚結(jié)構(gòu)對(duì)于減阻的作用已進(jìn)化到了近乎完美的程度。因此，如何將材料表面微結(jié) 構(gòu)與彈性基體結(jié)合成一個(gè)和諧的整體，優(yōu)化仿鯊魚皮減阻材料的結(jié)構(gòu)，是一個(gè)需要探索的、 值得深入研究的問(wèn)題。正是基于這一認(rèn)識(shí)，本發(fā)明以鯊魚皮為減阻模板，在弄清鯊魚皮基體 (表皮與皮下組織)的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能特點(diǎn)以及鯊魚皮表面微結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，根據(jù)雙重減 阻(非光滑表面減阻和柔性壁減阻)原理對(duì)材料進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)。通過(guò)選擇適宜的高分子材 料為基質(zhì)，將材料的力學(xué)性能模擬與表面微復(fù)制方法相結(jié)合，以制備能夠?qū)崿F(xiàn)鯊魚皮雙重 減阻效應(yīng)的仿生減阻功能材料，開拓了將材料表面微結(jié)構(gòu)與高分子膜材的基體結(jié)合成一個(gè) 完整、和諧的仿生減阻材料體系的新途徑。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有非光滑表面減阻和柔性壁減阻效應(yīng)的仿鯊魚皮 的減阻功能膜材及其制備方法。本發(fā)明仿生減阻膜材具有與真實(shí)鯊魚皮相似的結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能，能夠表現(xiàn)出類似 鯊魚皮的雙重減阻效應(yīng)，是一種新型的仿生減阻功能材料。突破了以往僅通過(guò)表面盾甲鱗 溝槽結(jié)構(gòu)的復(fù)制來(lái)設(shè)計(jì)和制備仿生減阻材料的局限性，將表面微復(fù)制技術(shù)與材料基體的力 學(xué)性能仿生相結(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)，開拓了將材料表面微結(jié)構(gòu) 與高分子膜材的基體結(jié)合成一個(gè)完整、和諧的材料體系的新途徑。本發(fā)明仿生減阻膜材的基體具有鯊魚皮基體的力學(xué)特性，其表面構(gòu)建有鯊魚皮表面的盾甲鱗溝槽結(jié)構(gòu)，可表現(xiàn)出 鯊魚皮的雙重減阻效應(yīng)。本發(fā)明的目的通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)一種基于鯊魚皮表面和基體結(jié)構(gòu)的仿生減阻膜材的制備方法，包括以下步驟(1)彈性表層的制備以天然橡膠和三元乙丙橡膠作為高分子材料基體，分別加 入橡膠助劑制備天然橡膠母煉膠和三元乙丙橡膠母煉膠，將兩種母煉膠中的任一種或兩者 共混，作為彈性表層基材；以質(zhì)量份數(shù)計(jì)，天然橡膠母煉膠的配方組成為天然橡膠100份、 輕質(zhì)碳酸鈣20 40份、硫磺1 2份、促進(jìn)劑N-環(huán)已基-2-苯駢噻唑次磺酰胺CZ0. 5 1 份、促進(jìn)劑二甲胺磺酰吩噻嗪DM 0.8 1份、ZnO 5份、硬酯酸1 2份和硅烷偶聯(lián)劑1 3份；三元乙丙橡膠母煉膠的配方組成為三元乙丙橡膠100份、Si&20 40份、ZnO 5份、 硬酯酸1 2份、防老劑9111. 5份、促進(jìn)劑N-環(huán)已基-2-苯駢噻唑次磺酰胺1 1. 5份、 過(guò)氧化二異丙苯DCP 1 1. 5份、促進(jìn)劑DM 1 2份；(2)粘彈柔性底層的制備以質(zhì)量份數(shù)計(jì)，將100份橡膠、5 10份苯乙烯單體和 10 30份丙烯酸酯類單體混合，以甲苯作溶劑，常溫?cái)嚢?，至橡膠溶解，加入引發(fā)劑過(guò)氧化 二苯甲酰BPO和二乙烯基苯DVB，BPO用量為1 2份，DVB用量為苯乙烯及丙烯酸酯類單 體總質(zhì)量的0 2%，在油浴中升溫到80°C 90°C，反應(yīng)4 他；反應(yīng)結(jié)束后，倒入乙醇中 沉析，取出產(chǎn)物，真空干燥10 18h ；在雙輥開煉機(jī)上，將干燥后的產(chǎn)物，以100份橡膠質(zhì)量 份數(shù)計(jì)，依次加入5份&ι0、1 2份硬脂酸、10 30份白炭黑、1 1. 5份促進(jìn)劑二硫化四 甲基秋蘭姆TMTD、0. 5 2份促進(jìn)劑DM、1 2份硫磺進(jìn)行混煉，出片存放待用；所述橡膠為 丁基橡膠或氯化丁基橡膠；所述丙烯酸酯類單體為甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸乙 酯、甲基丙烯酸丁酯和/或丙烯酸異辛酯；(3)具有盾甲鱗溝槽結(jié)構(gòu)的模具制備通過(guò)彈性印章法或電鑄法制備；所述彈性印章法是將100份液態(tài)硅橡膠和1 2份氨類硅烷固化劑混合均勻，抽 真空2 lOmin，倒入模具中，涂覆厚度為2 5mm，得硅橡膠；施加1 4kg的壓力將平整 鯊魚皮樣本平鋪在硅橡膠表面，室溫固化120 ISOmin后，脫模制得帶有鯊魚皮表面形貌 的模具；所述電鑄法是以鯊魚皮或液態(tài)硅橡膠彈性印章法得到的聚氨酯仿鯊皮作為電鑄 原型，經(jīng)過(guò)化學(xué)鍍銀或鍍銅處理后進(jìn)行電鑄，使在原型表面逐漸沉積出金屬層，M 48小 時(shí)后將原型從電鑄溶液中取出；分離電鑄層與原型，便獲得與原型形狀相對(duì)應(yīng)的金屬?gòu)?fù)制 件，即得帶有鯊魚皮表面形貌的模具；(4)減阻膜材的制備將步驟(1)所制備的彈性表層和步驟( 粘彈柔性底層疊 加放入在步驟(3)所制備得模具中，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；將模具置于平板硫化機(jī)中，于140 180°C，10 15MPa的壓力下硫化6 12min，脫模 從電鑄模具上撕下即得具備雙重減阻功能的仿鯊魚皮。為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的，所述彈性表層和粘彈柔性底層的厚度比為1 3 3 1，仿生減阻膜材總厚度在1. O 3. Omm。所述氨類硅烷固化劑為氨丙基三乙氧基硅烷、乙二胺丙基三乙氧基硅烷、苯甲胺 丙基三乙氧基硅烷、氨丙基三甲氧基硅烷、乙二胺丙基三甲氧基硅烷和/或苯甲胺丙基三 甲氧基硅烷。
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所述鯊魚皮為未經(jīng)防腐處理的新鮮鯊魚皮。一種基于鯊魚皮表面和基體結(jié)構(gòu)的仿生減阻膜材，由上述方法制備。本發(fā)明構(gòu)筑表面盾甲鱗結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)(1)選擇未經(jīng)防腐處理的新鮮鯊魚皮，及干燥后保持皮的含水率在10 15%，可 防止因蛋白質(zhì)收縮變異引起的皮的變形及盾甲鱗結(jié)構(gòu)的改變，其原型結(jié)構(gòu)完好率達(dá)到98% 以上；(2)通過(guò)背面填補(bǔ)一些固化材料進(jìn)行平整處理，可防止鯊魚皮在使用過(guò)程中變 形；(3)把握液態(tài)硅橡膠的固化時(shí)間與固化程度，施加一定的壓力將平整鯊魚皮樣本 平鋪在其表面，可防止液體流入鯊魚皮盾甲鱗的背面，易于脫模；(4)采用電鑄法制備的仿鯊魚皮金屬模具，可耐高溫高壓，拓寬其材料的選擇范 圍。本發(fā)明制作的仿生膜材的基材具有與鯊魚表皮和皮下組織相似的結(jié)構(gòu)和力學(xué)行 為，其優(yōu)點(diǎn)如下(1)突破以往單層減阻的思路，模擬鯊魚表皮及皮下脂肪組織力學(xué)性能， 制備彈性表皮層及柔性粘彈柔性底層復(fù)合的雙層仿鯊皮，優(yōu)化仿鯊魚皮的減阻材料結(jié)構(gòu)； (2)本發(fā)明中仿鯊皮的彈性基體減阻及盾甲鱗溝槽結(jié)構(gòu)減阻不是簡(jiǎn)單的機(jī)械疊加，而是使 兩將材料表面微結(jié)構(gòu)與彈性基體結(jié)合成一個(gè)和諧的整體，實(shí)現(xiàn)柔性壁與溝槽結(jié)構(gòu)的雙重減 阻。


圖1是本發(fā)明設(shè)計(jì)的仿生減阻模型示意圖；圖2為鯊魚表皮形貌的掃描電鏡圖片；圖3為單個(gè)盾甲鱗結(jié)構(gòu)掃描電鏡圖片；圖4是本發(fā)明制得的電鑄模具掃描電鏡圖片；圖5為本發(fā)明制得的PU仿鯊皮光學(xué)顯微圖片；圖6是仿鯊皮轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩-圓筒轉(zhuǎn)速曲線。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式

作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明，但本發(fā)明的實(shí)施 方式不限于此。實(shí)施例1(1)膜材基體的制備(a)彈性表層的制備選用彈性和加工性能優(yōu)良的彈性體為基質(zhì)。以天然橡膠(NR)以及耐水性能優(yōu)異 的三元乙丙橡膠(EPDM)作為高分子材料基體，分別加入橡膠助劑制備母煉膠，然后將母煉 膠EPEM/NR以80/20 (質(zhì)量份)共混。EPDM配方如表1所示。NR配方如表2所示。EPDM和 NR的制備方法為本領(lǐng)域通用方法。表權(quán)利要求
1.一種基于鯊魚皮表面和基體結(jié)構(gòu)的仿生減阻膜材的制備方法，其特征在于包括以下 步驟(1)彈性表層的制備以天然橡膠和三元乙丙橡膠作為高分子材料基體，分別加入橡 膠助劑制備天然橡膠母煉膠和三元乙丙橡膠母煉膠，將兩種母煉膠中的任一種或兩者共 混，作為彈性表層基材；以質(zhì)量份數(shù)計(jì)，天然橡膠母煉膠的配方組成為天然橡膠100份、輕 質(zhì)碳酸鈣20 40份、硫磺1 2份、促進(jìn)劑N-環(huán)己基-2-苯駢噻唑次磺酰胺0. 5 1份、 促進(jìn)劑二甲胺磺酰吩噻嗪DM 0. 8 1份、ZnO 5份、硬酯酸1 2份和硅烷偶聯(lián)劑1 3 份；三元乙丙橡膠母煉膠的配方組成為三元乙丙橡膠100份、Si0220 40份、ZnO 5份、 硬酯酸1 2份、防老劑9111. 5份、促進(jìn)劑N-環(huán)己基-2-苯駢噻唑次磺酰胺1 1. 5份、 過(guò)氧化二異丙苯1 1. 5份和促進(jìn)劑DM 1 2份；(2)粘彈柔性底層的制備以質(zhì)量份數(shù)計(jì)，將100份橡膠、5 10份苯乙烯單體和10 30份丙烯酸酯類單體混合，以甲苯作溶劑，常溫?cái)嚢瑁料鹉z溶解，加入引發(fā)劑過(guò)氧化二苯 甲酰和二乙烯基苯，過(guò)氧化二苯甲酰用量為1 2份，二乙烯基苯用量為苯乙烯及丙烯酸酯 類單體總質(zhì)量的0 2%，在油浴中升溫到80°C 90°C，反應(yīng)4 他；反應(yīng)結(jié)束后，倒入乙 醇中沉析，取出產(chǎn)物，真空干燥10 18h ；在雙輥開煉機(jī)上，將干燥后的產(chǎn)物，以100份橡膠 質(zhì)量份數(shù)計(jì)，依次加入5份&ι0、1 2份硬脂酸、10 30份白炭黑、1 1. 5份促進(jìn)劑二硫 化四甲基秋蘭姆TMTD、0. 5 2份促進(jìn)劑DM、1 2份硫磺進(jìn)行混煉，出片存放待用；所述橡 膠為丁基橡膠或氯化丁基橡膠；所述丙烯酸酯類單體為甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、丙烯 酸乙酯、甲基丙烯酸丁酯和/或丙烯酸異辛酯；(3)具有盾甲鱗溝槽結(jié)構(gòu)的模具制備通過(guò)彈性印章法或電鑄法制備；所述彈性印章法是將100份液態(tài)硅橡膠和1 2份氨類硅烷固化劑混合均勻，抽真空 2 lOmin，倒入模具中，涂覆厚度為2 5mm，得硅橡膠；施加1 4kg的壓力將平整鯊魚 皮樣本平鋪在硅橡膠表面，室溫固化120 ISOmin后，脫模制得帶有鯊魚皮表面形貌的模且.Z、 9所述電鑄法是以鯊魚皮或液態(tài)硅橡膠彈性印章法得到的聚氨酯仿鯊皮作為電鑄原型， 經(jīng)過(guò)化學(xué)鍍銀或鍍銅處理后進(jìn)行電鑄，使在原型表面逐漸沉積出金屬層，M 48小時(shí)后將 原型從電鑄溶液中取出；分離電鑄層與原型，便獲得與原型形狀相對(duì)應(yīng)的金屬?gòu)?fù)制件，即得 帶有鯊魚皮表面形貌的模具；(4)減阻膜材的制備將步驟(1)所制備的彈性表層和步驟( 粘彈柔性底層疊加放 入在步驟(3)所制備得模具中，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； 將模具置于平板硫化機(jī)中，于140 180°C，10 15MPa的壓力下硫化6 12min，脫模從電 鑄模具上撕下即得具備雙重減阻功能的仿鯊魚皮。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鯊魚皮表面和基體結(jié)構(gòu)的仿生減阻膜材的制備方法，其 特征在于所述彈性表層和粘彈柔性底層的厚度比為1 3 3 1，仿生減阻膜材總厚度 在 1. O 3. Omm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于所述氨類硅烷固化劑為氨丙基三乙氧基硅烷、乙二胺丙基三乙氧基硅烷、苯甲胺丙基三乙氧基硅烷、氨丙基三甲氧基硅烷、乙 二胺丙基三甲氧基硅烷和/或苯甲胺丙基三甲氧基硅烷。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有盾甲鱗溝槽結(jié)構(gòu)的模具的制備方法，其特征在于鯊魚皮為未經(jīng)防腐處理的新鮮鯊魚皮。
5. 一種基于鯊魚皮表面和基體結(jié)構(gòu)的仿生減阻膜材，其特征在于由權(quán)利要求1-4任一 項(xiàng)所述方法制備。
全文摘要
本發(fā)明公開了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，該方法包括彈性表層的制備、粘彈柔性底層的制備、具有盾甲鱗溝槽結(jié)構(gòu)的模具制備，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；將模具置于平板硫化機(jī)中，于140～180℃，10～15MPa的壓力下硫化6～12min，脫模從電鑄模具上撕下即得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)。
文檔編號(hào)B32B38/06GK102145567SQ201010532238
公開日2011年8月10日 申請(qǐng)日期2010年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月30日
發(fā)明者劉云鴻, 李光吉, 蒲俠 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)