一种超疏水防污减阻材料制备方法技术

本发明专利技术属于海洋防污减阻材料技术领域，涉及一种仿生多级结构的超疏水防污减阻材料制备方法，借鉴仿生小槐叶萍叶片表面的微观结构，设计超疏水防污减阻材料的结构、尺寸，首先，采用树脂或橡胶等高分子原料通过包括3D微纳打印、模板压印、精密机械加工、精密微电铸和精密微电解的方法制备仿生“爪形”结构基体，然后，用化学镀与电沉积相结合的方法对基体表面进行金属化并形成“毫米

【技术实现步骤摘要】
一种超疏水防污减阻材料制备方法

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[0001]本专利技术属于海洋防污减阻材料
，具体涉及一种仿生多级结构的超疏水防污减阻材料制备方法，基于小槐叶萍叶片表面微观结构制备“毫微纳米”超疏水防污减阻材料。

技术介绍
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[0002]海洋船舶航行面临生物污损和水下摩擦阻力的问题，对船体表面进行防污减阻处理是避免生物污损危害，节省燃油消耗的重要措施。超疏水材料是开发防污减阻材料的重要方向。20世纪70年代，荷叶表面的自清洁超疏水效应被发现后，超疏水材料逐渐进入研究者的视野中，与此同时，对各种动植物表面的仿生也引起了越来越多的关注。其中，超疏水表面指的是由微纳米结构与低表面能化合物共同构成的接触角大于150
°
，滚动角低于10
°
的表面。
[0003]通过有机高分子材料的特性及模板翻印方法可制备超疏水材料。例如，中国专利201910759067.6公开的一种自修复超疏水涂料，按质量百分数计包括如下组分：自修复高分子10
‑
30％；高分子复合凝胶5
‑
50％；聚苯乙烯粉末5
‑
30％；溶剂20
‑
70％；助剂3
‑
10％，其中，所述自修复高分子包括如下原料成分：聚醚多元醇、羟基硅橡胶、异佛尔酮二异氰酸酯、二月桂酸二丁基锡和3,3'
‑
二硝基二苯二硫醚；所述高分子复合凝胶包括如下原料成分：纳米二氧化硅、多巴胺和二月桂酸二丁基锡；自修复超疏水涂料的疏水界面由聚苯乙烯微球和纳米二氧化硅基高分子复合凝胶构成，具有微纳双结构，能有效对大、小水滴进行疏水。中国专利201710733098.5公开的一种自修复超疏水减阻弹性体薄膜制备方法，利用聚二甲基硅氧烷弹性体或聚氨酯弹性体制备具有鲨鱼皮表面沟槽结构的弹性体，利用聚丙烯酰胺
‑
聚氟烷基丙烯酸酯嵌段共聚物在弹性体表面形成类似荷叶表面微纳结构。
[0004]利用激光加工办法也是可以制备超疏水材料的。例如，中国专利202110276386.9公开了基于飞秒激光和温控时效综合调控制备超疏水表面的方法，先采用纯铝或2024铝合金基底作为加工对象；然后搭建飞秒激光微纳加工光学系统，利用集成控制系统调控飞秒激光器输出高斯激光，将纯铝或2024铝合金基底固定于剪式升降台加工位点上，通过集成控制系统控制飞秒激光器和二轴扫描振镜系统综合调控激光重复频率等参数，以交叉扫描的方式获得实现超疏水功能性表面的微纳多级复合阵列结构；在获得微纳多级复合阵列结构的基础上，通过综合调节温度和温控时效时间以实现低表面能修饰，实现纯铝或2024铝合金超疏水极端浸润性功能表面的制备。
[0005]利用硅氧烷偶联剂改性表面也是实现超疏水功能的手段之一。力图，中国专利202110302041.6提供了一种超疏水纺织品及其制备方法，超疏水纺织品包括织物层以及功能层，功能层由硅氧烷偶联剂改性过的纳米颗粒和低表面能的低分子量硅油组成；超疏水纺织品的制备方法如下：通过硅氧烷偶联剂改性纳米材料提高其分散稳定性与纺织品之间的结合牢度，将不同粒径的纳米材料整理到纺织品表面，在纺织品表面构筑微纳米粗糙结构，然后利用羟基活性基团将低分子量的线性体硅油接枝到纳米材料表面，得到性质稳定
的超疏水纺织品。
[0006]上述专利均属于超疏水材料，但材料种类和制备方法差别很大，并且结构往往比较单一，难以直接作为防污和减阻材料使用，而且在海水下环境也难以长期维持超疏水状态。
[0007]小槐叶萍(Salvinia mini)叶片具有水下疏水作用，可形成水下空气层，对其进行激光共聚焦显微镜观察，结果如图1所示，可以看出排列较为规律，明显的“爪形”绒毛结构：由上下两部分组成，其中，上半部分为四个方向各不相同的“手指状”斜柱构成的“爪形”的“头部”结构，下半部分为支撑“头部”结构的柱状结构。将小槐叶萍叶片放入水中，由于小槐叶萍叶片的表面结构，能够观察到小槐叶萍叶片表面存在水下空气保留层。以此作为仿生结构设计的参考，研发设计一种工艺简单、拥有复杂结构且不易破坏的空气层超疏水防污减阻材料的制备方法。

技术实现思路
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[0008]本专利技术的目的是对在小槐叶萍叶片表面仿生结构基体上构建的“毫米
‑
微米
‑
纳米”多层级多尺度结构进行疏水化改性，制备超疏水防污减阻材料。
[0009]为了实现上述目的，本专利技术涉及的超疏水防污减阻材料备方法的工艺过程是：首先，以高分子物质为原材料制备仿生“爪形”结构基体，然后通过化学镀与电沉积相结合的方法处理仿生“爪形”结构基体，使其表面金属化并在其上制备多层级多尺度的“毫米
‑
微米
‑
纳米”的多级结构，最后，通过长链烷酸浸泡法改性使其具有疏水特性，得到超疏水防污减阻材料。
[0010]本专利技术涉及的超疏水防污减阻材料备方法的具体工艺过程包括制备仿生“爪形”结构基体、制备多级结构和制备超疏水防污减阻材料共三个步骤：
[0011](一)制备仿生“爪形”结构基体
[0012]以包括树脂和橡胶的高分子物质为原材料，通过包括3D微纳打印、模板压印、精密机械加工、精密微电铸和精密微电解的方法制备仿生“爪形”结构基体；
[0013]仿生“爪形”结构基体由若干个按等边三角形点阵排列的微结构单体与基座相结合形成，微结构单体分为上下两部分，上半部分由四个直径d、高度h和倾斜角度a均相同但倾斜方向均不同的斜圆柱体组成的“爪形”结构体，斜圆柱体的直径d为300
‑
900μm，高度h为400
‑
1800μm，四个斜圆柱的底面在同一平面且圆心间组成一个边长等同于斜圆柱体直径d的正方形，斜柱体与正方形之间的倾斜角度a为30
°‑
60
°
，倾斜方向与正方形的形心与该圆心组成的射线方向相同，下半部分是直径D为600
‑
1800μm和高度H为600
‑
1800μm的圆柱体；任意两个相邻的微结构单体的间距为400
‑
9000μm，且为斜圆柱体的高度h的1.0
‑
1.5倍；基座的边长为20
‑
300m，高度为3mm；
[0014](二)制备多级结构
[0015]按照如下步骤依次处理仿生“爪形”结构基体：
[0016]置于无水乙醇中超声10
‑
20min，
[0017]置于粗化液中在温度为50
‑
60℃的条件下加热20
‑
30min，
[0018]置于敏化液中在温度为25
‑
35℃的条件下加热10
‑
20min，
[0019]置于活化液中在温度为30
‑
40℃的条件下加热10
‑
20min，
[0020]置于化学镀液中在温度为25
‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超疏水防污减阻材料制备方法，其特征在于，工艺过程是：首先，以高分子物质为原材料制备仿生“爪形”结构基体，然后通过化学镀与电沉积相结合的方法处理仿生“爪形”结构基体，使其表面金属化并在其上制备多层级多尺度的“毫米
‑
微米
‑
纳米”的多级结构，最后，通过长链烷酸浸泡法改性使其具有疏水特性，得到超疏水防污减阻材料；其中，多层级多尺度“毫米
‑
微米
‑
纳米”的多级结构与长链烷酸的疏水特性共同作用，实现超疏水防污减阻材料的超疏水特性，达到防污减阻的目的。2.根据权利要求所述的超疏水防污减阻材料制备方法，其特征在于，具体工艺过程包括制备仿生“爪形”结构基体、制备多级结构和制备超疏水防污减阻材料共三个步骤：(一)制备仿生“爪形”结构基体以包括树脂和橡胶的高分子物质为原材料，通过包括3D微纳打印、模板压印、精密机械加工、精密微电铸和精密微电解的方法制备仿生“爪形”结构基体；(二)制备多级结构按照如下步骤依次处理仿生“爪形”结构基体：置于无水乙醇中超声10
‑
20min，置于粗化液中在温度为50
‑
60℃的条件下加热20
‑
30min，置于敏化液中在温度为25
‑
35℃的条件下加热10
‑
20min，置于活化液中在温度为30
‑
40℃的条件下加热10
‑
20min，置于化学镀液中在温度为25
‑
45℃的条件下加热20
‑
40min，将仿生“爪形”结构基体和与其尺寸相同的铜片以固定间距为10
‑
40mm的状态置于电沉积液中，将仿生“爪形”结构基体与电沉积设备的阴极连接，将铜片与电沉积设备的阳极连接，选择恒电流模式，在电沉积设备的两个电极上施加1
‑
10A的直流电流，电沉积2
‑
20min后，得到在仿生“爪形”结构基体上形成的多级结构；(三)制备超疏水防污减阻材料将步骤(二)制备的沉积有多级结构的仿生“爪形”结构基体浸泡于0.5
‑
2％(w/v)的长链羧酸无水乙醇溶液中反应5
‑
20s，取出后静置至表面干燥，得到“毫米
‑
微米
‑
纳米”多层级多尺度的具有水下空气层的超疏水防污减阻材料。3.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑纪勇，杨兴杰，蔺存国，张金伟，邱峥辉，孙智勇，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七二五研究所，
类型：发明
国别省市：