[发明专利]一种自修复超疏水减阻弹性体薄膜及制备方法

说明书

本发明涉及一种自修复超疏水减阻弹性体薄膜及制备方法，在弹性体表面复制鲨鱼皮V型槽结构，并接枝了可以自组装形成微纳结构的聚丙烯酰胺‑聚氟烷基丙烯酸酯嵌段共聚物，具有自修复超疏水性能，静态水接触角达到150°以上，滚动角小于10°。将该减阻膜贴在旋转粘度计转子上进行减阻性能测试，减阻率可以达到20％。本发明的优点：1.将超疏水减阻法和仿生减阻法结合在一起，使减阻膜在层流状态和湍流状态下都有较好的减阻效果；2.在超疏水膜表面接枝的聚氟烷基丙烯酸酯在表面化学成分被损坏后，经过溶剂浸泡或者高温加热可以自修复，使膜再次具有超疏水效果。

技术领域

本发明属于自修复超疏水膜的制备，涉及一种自修复超疏水减阻弹性体薄膜及制备方法。

背景技术

随着我国对进口能源的依赖性的不断提高，如何减少能源消耗，提高能源的利用率正成为一个急需解决的、关系到我国经济可持续发展的重大问题。有资料表明，对于船舶、飞机等交通工具而言，最大的能耗在于克服与之接触的水流或空气介质之间的摩擦阻力。据统计，一般情况下，船舶在运动时表面摩擦阻力约占总阻力的70～80％；民用飞机飞行时其表面摩擦阻力几乎占总阻力的50％。由此可见，设法减小运动物体表面与流体之间的摩擦阻力对于实现节能减排和提高能源利用率都是非常必要的。设计和制备具有减阻功能的新材料无疑是实现这一目标的重要途径之一，对我国实现节能减排的目标和社会的可持续发展策略都有着非凡的意义。

就如何减小流体摩擦阻力的问题，根据对运动物体与流体之间的边界层的运动状态的分析及其对摩擦阻力的影响的研究结果，各国学者从不同的角度出发，尝试和研究了多种减阻方法。其中超疏水减阻法是研究比较多的一种减阻方法。

超疏水表面减阻技术来源于对荷叶表面自清洁功能的研究。通过对荷叶表面结构、组织和形态等的大量观察和实验，对荷叶的自清洁功能有了深入的了解。人们通过模仿荷叶表面制备出各种疏水/超疏水材料，并将其应用于表面减肌领域，形成了一种新兴的减阻力法仿生疏水/超疏水表而减阻。在1996年，Neinthuis等开展了疏水表面减阻的相关研究(Annals of Botany,1997,79(6):667-668)，认为荷叶表面的非光滑突起结构是引起自清洁疏水效应的重要原因。随后，1999年，Watanabe等利用改性的丙烯酸制备了一种氟烷烃(Fluid Mech,1999,38(1),225)，将其作为疏水材料应用于管壁并研究其减阻效果，实验发现，层流时管壁的表面减阻率为14％，但在湍流中这种减阻效果却不复存在。

针对超疏水减阻方法在湍流中减阻效果不明显的不足，仿生减阻法受到较多的关注。仿生减阻法是通过对自然界中各种动植物的表面结构进行研究，模仿而衍生出的一种减阻方法，其中最具有研究应用价值的包括模仿海豚皮肤结构的柔性壁减阻法、模仿鲨鱼皮皮肤结构的表面沟槽减阻法和模仿荷叶叶片结构的超疏水减阻法。柔性壁减阻法的核心是通过改变壁面形态来抑制或吸收湍流脉动压力，延迟层流向湍流的转捩，有效减弱湍流猝发时脉动力对近壁面的作用强度，降低湍流附加应力和脉动压力，从而实现减小流动阻力的目的。柔性壁减阻法是由Kramer首先提出的(Aeronaut.Sci.1957,24(6):459-460)。他从能高速游动的海豚身上得到启发，利用弹性橡胶制备了具有柔性外套的船体模型，在此后的几十年里，柔性壁减阻技术不断得到发展，使摩擦阻力最多能降低17％左右。表面沟槽(Riblets)减阻是通过改变壁面边界层底层的流动结构达到减阻的效果，主要是Walsh等人开始了顺流向沟槽减阻的研究(AIAA,journal,1983,21(4):485)，并认为鲨鱼皮表面的V形肋条具有最好的减阻效率。在随后的研究中，Bechert等人测试了包括半圆形、三角形、刃形等在内的多种形状肋条的表而减阻效果(Journal of fluid mechanics,1997,338(5):59-60)，结果发现V形肋条的减阻效果最好，最高可获得10％的减阻率。因此，仿生减阻法可以解决超疏水减阻法在湍流中没有减阻效果的不足。