专利名称：基于鲨鱼皮表面和基体结构的仿生减阻膜材及其制备方法
技术领域：
本发明涉及减阻材料，特别是涉及一种以鲨鱼皮为减阻模板的仿生减阻膜材。
背景技术：
在自然界中，相对运动的物体之间不可避免地存在着摩擦阻力。有资料表明，一般 的船舶在运动时，表面摩擦阻力约占总阻力的70 80%。就船舶和其它水下运动物体(如 潜艇、鱼雷等)的表面减阻而言，人类已进行了长期不懈的努力，并从对游得最快的海洋生 物鲨鱼、海豚的观察与研究中得到了很多启示。海洋中的速度之王-鲨鱼不仅具有完美的 流线体形，使其游动时的形状阻力最少；其皮肤表面粗糙的微结构——三维互锁的盾甲鳞 沟槽结构，也叫肋条(riblet)结构，对减阻也有较大的贡献。关于鲨鱼皮表面盾甲鳞沟槽 结构的仿生与应用，国内外科学家们进行了大量的探索，取得了一些令人振奋的研究成果。 例如，SPEEDO公司研制的“快皮”(FASTSKIN)仿鲨鱼皮泳衣在2000年悉尼奥运会上创造了 奇迹，这种泳衣面料状似鲨鱼皮肤，其表面布满齿状V形凹槽，用这种材料制成的泳衣更加 贴身，可使游泳者所受的总阻力减少4%。美国宇航局将类似鲨鱼皮的肋条结构应用于飞 行器的表面以减少阻力，飞机的飞行阻力减少了 6.6%。近几十年来，人们关于鲨鱼皮肤减 阻的研究，主要集中于其表面坚硬的沟槽型非光滑表面-盾甲鳞结构。结合前人对海豚高 速游动时其弹性皮肤发生的形貌变化及其作用以及柔性壁的减阻机理，鲨鱼的弹性皮肤也 对其高速的游动有一定的贡献。根据生物的进化理论和规律，鲨鱼在自然界中经过长期的 进化，其皮肤结构对于减阻的作用已进化到了近乎完美的程度。因此，如何将材料表面微结 构与弹性基体结合成一个和谐的整体，优化仿鲨鱼皮减阻材料的结构，是一个需要探索的、 值得深入研究的问题。正是基于这一认识，本发明以鲨鱼皮为减阻模板，在弄清鲨鱼皮基体 (表皮与皮下组织)的结构和力学性能特点以及鲨鱼皮表面微结构的基础上，根据双重减 阻(非光滑表面减阻和柔性壁减阻)原理对材料进行仿生设计。通过选择适宜的高分子材 料为基质，将材料的力学性能模拟与表面微复制方法相结合，以制备能够实现鲨鱼皮双重 减阻效应的仿生减阻功能材料，开拓了将材料表面微结构与高分子膜材的基体结合成一个 完整、和谐的仿生减阻材料体系的新途径。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有非光滑表面减阻和柔性壁减阻效应的仿鲨鱼皮 的减阻功能膜材及其制备方法。本发明仿生减阻膜材具有与真实鲨鱼皮相似的结构及力学性能，能够表现出类似 鲨鱼皮的双重减阻效应，是一种新型的仿生减阻功能材料。突破了以往仅通过表面盾甲鳞 沟槽结构的复制来设计和制备仿生减阻材料的局限性，将表面微复制技术与材料基体的力 学性能仿生相结合，使所制备的仿生减阻膜材的基体和表面分别体现了鲨鱼皮基体的力学 特性和表面的盾甲鳞沟槽结构，实现了鲨鱼皮的双重减阻效应，开拓了将材料表面微结构 与高分子膜材的基体结合成一个完整、和谐的材料体系的新途径。本发明仿生减阻膜材的基体具有鲨鱼皮基体的力学特性，其表面构建有鲨鱼皮表面的盾甲鳞沟槽结构，可表现出 鲨鱼皮的双重减阻效应。本发明的目的通过如下技术方案实现一种基于鲨鱼皮表面和基体结构的仿生减阻膜材的制备方法，包括以下步骤(1)弹性表层的制备以天然橡胶和三元乙丙橡胶作为高分子材料基体，分别加 入橡胶助剂制备天然橡胶母炼胶和三元乙丙橡胶母炼胶，将两种母炼胶中的任一种或两者 共混，作为弹性表层基材；以质量份数计，天然橡胶母炼胶的配方组成为天然橡胶100份、 轻质碳酸钙20 40份、硫磺1 2份、促进剂N-环已基-2-苯骈噻唑次磺酰胺CZ0. 5 1 份、促进剂二甲胺磺酰吩噻嗪DM 0.8 1份、ZnO 5份、硬酯酸1 2份和硅烷偶联剂1 3份；三元乙丙橡胶母炼胶的配方组成为三元乙丙橡胶100份、Si&20 40份、ZnO 5份、 硬酯酸1 2份、防老剂9111. 5份、促进剂N-环已基-2-苯骈噻唑次磺酰胺1 1. 5份、 过氧化二异丙苯DCP 1 1. 5份、促进剂DM 1 2份；(2)粘弹柔性底层的制备以质量份数计，将100份橡胶、5 10份苯乙烯单体和 10 30份丙烯酸酯类单体混合，以甲苯作溶剂，常温搅拌，至橡胶溶解，加入引发剂过氧化 二苯甲酰BPO和二乙烯基苯DVB，BPO用量为1 2份，DVB用量为苯乙烯及丙烯酸酯类单 体总质量的0 2%，在油浴中升温到80°C 90°C，反应4 他；反应结束后，倒入乙醇中 沉析，取出产物，真空干燥10 18h ；在双辊开炼机上，将干燥后的产物，以100份橡胶质量 份数计，依次加入5份&ι0、1 2份硬脂酸、10 30份白炭黑、1 1. 5份促进剂二硫化四 甲基秋兰姆TMTD、0. 5 2份促进剂DM、1 2份硫磺进行混炼，出片存放待用；所述橡胶为 丁基橡胶或氯化丁基橡胶；所述丙烯酸酯类单体为甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸乙 酯、甲基丙烯酸丁酯和/或丙烯酸异辛酯；(3)具有盾甲鳞沟槽结构的模具制备通过弹性印章法或电铸法制备；所述弹性印章法是将100份液态硅橡胶和1 2份氨类硅烷固化剂混合均勻，抽 真空2 lOmin，倒入模具中，涂覆厚度为2 5mm，得硅橡胶；施加1 4kg的压力将平整 鲨鱼皮样本平铺在硅橡胶表面，室温固化120 ISOmin后，脱模制得带有鲨鱼皮表面形貌 的模具；所述电铸法是以鲨鱼皮或液态硅橡胶弹性印章法得到的聚氨酯仿鲨皮作为电铸 原型，经过化学镀银或镀铜处理后进行电铸，使在原型表面逐渐沉积出金属层，M 48小 时后将原型从电铸溶液中取出；分离电铸层与原型，便获得与原型形状相对应的金属复制 件，即得带有鲨鱼皮表面形貌的模具；(4)减阻膜材的制备将步骤(1)所制备的弹性表层和步骤( 粘弹柔性底层叠 加放入在步骤(3)所制备得模具中，并使弹性表层贴近复制有鲨鱼皮盾甲鳞沟槽结构的一 面；将模具置于平板硫化机中，于140 180°C，10 15MPa的压力下硫化6 12min，脱模 从电铸模具上撕下即得具备双重减阻功能的仿鲨鱼皮。为进一步实现本发明目的，所述弹性表层和粘弹柔性底层的厚度比为1 3 3 1，仿生减阻膜材总厚度在1. O 3. Omm。所述氨类硅烷固化剂为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。
5
所述鲨鱼皮为未经防腐处理的新鲜鲨鱼皮。一种基于鲨鱼皮表面和基体结构的仿生减阻膜材，由上述方法制备。本发明构筑表面盾甲鳞结构的优点(1)选择未经防腐处理的新鲜鲨鱼皮，及干燥后保持皮的含水率在10 15%，可 防止因蛋白质收缩变异引起的皮的变形及盾甲鳞结构的改变，其原型结构完好率达到98% 以上；(2)通过背面填补一些固化材料进行平整处理，可防止鲨鱼皮在使用过程中变 形；(3)把握液态硅橡胶的固化时间与固化程度，施加一定的压力将平整鲨鱼皮样本 平铺在其表面，可防止液体流入鲨鱼皮盾甲鳞的背面，易于脱模；(4)采用电铸法制备的仿鲨鱼皮金属模具，可耐高温高压，拓宽其材料的选择范 围。本发明制作的仿生膜材的基材具有与鲨鱼表皮和皮下组织相似的结构和力学行 为，其优点如下(1)突破以往单层减阻的思路，模拟鲨鱼表皮及皮下脂肪组织力学性能， 制备弹性表皮层及柔性粘弹柔性底层复合的双层仿鲨皮，优化仿鲨鱼皮的减阻材料结构； (2)本发明中仿鲨皮的弹性基体减阻及盾甲鳞沟槽结构减阻不是简单的机械叠加，而是使 两将材料表面微结构与弹性基体结合成一个和谐的整体，实现柔性壁与沟槽结构的双重减 阻。
图1是本发明设计的仿生减阻模型示意图；图2为鲨鱼表皮形貌的扫描电镜图片；图3为单个盾甲鳞结构扫描电镜图片；图4是本发明制得的电铸模具扫描电镜图片；图5为本发明制得的PU仿鲨皮光学显微图片；图6是仿鲨皮转子转矩-圆筒转速曲线。
具体实施例方式下面结合实施例对本发明的具体实施方式
作进一步详细的说明，但本发明的实施 方式不限于此。实施例1(1)膜材基体的制备(a)弹性表层的制备选用弹性和加工性能优良的弹性体为基质。以天然橡胶(NR)以及耐水性能优异 的三元乙丙橡胶(EPDM)作为高分子材料基体，分别加入橡胶助剂制备母炼胶，然后将母炼 胶EPEM/NR以80/20 (质量份)共混。EPDM配方如表1所示。NR配方如表2所示。EPDM和 NR的制备方法为本领域通用方法。表权利要求
1.一种基于鲨鱼皮表面和基体结构的仿生减阻膜材的制备方法，其特征在于包括以下 步骤(1)弹性表层的制备以天然橡胶和三元乙丙橡胶作为高分子材料基体，分别加入橡 胶助剂制备天然橡胶母炼胶和三元乙丙橡胶母炼胶，将两种母炼胶中的任一种或两者共 混，作为弹性表层基材；以质量份数计，天然橡胶母炼胶的配方组成为天然橡胶100份、轻 质碳酸钙20 40份、硫磺1 2份、促进剂N-环己基-2-苯骈噻唑次磺酰胺0. 5 1份、 促进剂二甲胺磺酰吩噻嗪DM 0. 8 1份、ZnO 5份、硬酯酸1 2份和硅烷偶联剂1 3 份；三元乙丙橡胶母炼胶的配方组成为三元乙丙橡胶100份、Si0220 40份、ZnO 5份、 硬酯酸1 2份、防老剂9111. 5份、促进剂N-环己基-2-苯骈噻唑次磺酰胺1 1. 5份、 过氧化二异丙苯1 1. 5份和促进剂DM 1 2份；(2)粘弹柔性底层的制备以质量份数计，将100份橡胶、5 10份苯乙烯单体和10 30份丙烯酸酯类单体混合，以甲苯作溶剂，常温搅拌，至橡胶溶解，加入引发剂过氧化二苯 甲酰和二乙烯基苯，过氧化二苯甲酰用量为1 2份，二乙烯基苯用量为苯乙烯及丙烯酸酯 类单体总质量的0 2%，在油浴中升温到80°C 90°C，反应4 他；反应结束后，倒入乙 醇中沉析，取出产物，真空干燥10 18h ；在双辊开炼机上，将干燥后的产物，以100份橡胶 质量份数计，依次加入5份&ι0、1 2份硬脂酸、10 30份白炭黑、1 1. 5份促进剂二硫 化四甲基秋兰姆TMTD、0. 5 2份促进剂DM、1 2份硫磺进行混炼，出片存放待用；所述橡 胶为丁基橡胶或氯化丁基橡胶；所述丙烯酸酯类单体为甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、丙烯 酸乙酯、甲基丙烯酸丁酯和/或丙烯酸异辛酯；(3)具有盾甲鳞沟槽结构的模具制备通过弹性印章法或电铸法制备；所述弹性印章法是将100份液态硅橡胶和1 2份氨类硅烷固化剂混合均勻，抽真空 2 lOmin，倒入模具中，涂覆厚度为2 5mm，得硅橡胶；施加1 4kg的压力将平整鲨鱼 皮样本平铺在硅橡胶表面，室温固化120 ISOmin后，脱模制得带有鲨鱼皮表面形貌的模且.Z、 9所述电铸法是以鲨鱼皮或液态硅橡胶弹性印章法得到的聚氨酯仿鲨皮作为电铸原型， 经过化学镀银或镀铜处理后进行电铸，使在原型表面逐渐沉积出金属层，M 48小时后将 原型从电铸溶液中取出；分离电铸层与原型，便获得与原型形状相对应的金属复制件，即得 带有鲨鱼皮表面形貌的模具；(4)减阻膜材的制备将步骤(1)所制备的弹性表层和步骤( 粘弹柔性底层叠加放 入在步骤(3)所制备得模具中，并使弹性表层贴近复制有鲨鱼皮盾甲鳞沟槽结构的一面； 将模具置于平板硫化机中，于140 180°C，10 15MPa的压力下硫化6 12min，脱模从电 铸模具上撕下即得具备双重减阻功能的仿鲨鱼皮。
2.根据权利要求1所述的基于鲨鱼皮表面和基体结构的仿生减阻膜材的制备方法，其 特征在于所述弹性表层和粘弹柔性底层的厚度比为1 3 3 1，仿生减阻膜材总厚度 在 1. O 3. Omm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述氨类硅烷固化剂为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.根据权利要求1所述的具有盾甲鳞沟槽结构的模具的制备方法，其特征在于鲨鱼皮为未经防腐处理的新鲜鲨鱼皮。
5. 一种基于鲨鱼皮表面和基体结构的仿生减阻膜材，其特征在于由权利要求1-4任一 项所述方法制备。
全文摘要
本发明公开了基于鲨鱼皮表面和基体结构的仿生减阻膜材及其制备方法，该方法包括弹性表层的制备、粘弹柔性底层的制备、具有盾甲鳞沟槽结构的模具制备，然后将所制备的弹性表层和粘弹柔性底层叠加放入具有盾甲鳞沟槽结构的模具中，并使弹性表层贴近复制有鲨鱼皮盾甲鳞沟槽结构的一面；将模具置于平板硫化机中，于140～180℃，10～15MPa的压力下硫化6～12min，脱模从电铸模具上撕下即得具备双重减阻功能的仿鲨鱼皮。该方法将表面微结构与材料基体的仿生相结合，使所制备的仿生减阻膜材的基体和表面分别体现了鲨鱼皮基体的力学特性和表面的盾甲鳞沟槽结构，实现了鲨鱼皮的双重减阻效应。
文档编号B32B38/06GK102145567SQ201010532238
公开日2011年8月10日 申请日期2010年10月30日 优先权日2010年10月30日
发明者刘云鸿, 李光吉, 蒲侠 申请人:华南理工大学