一种多孔道联动驱离机制的仿生防污表面的制作方法

1.本发明属于仿生材料技术领域。


背景技术：

2.细菌、藻类、贝类等微生物、植物和动物黏附在水下固壁表面的现象称为生物污损。生物污损对海运交通、海防、港口、钻井平台及渔业等海事工程带来极大危害。生物污损不仅会增加船舶阻力，降低船舶航速，加大燃油消耗，还会加速船舶、管道输送壳体腐蚀，降低使用寿命。污损生物分泌出腐蚀性物质破坏船壳的漆膜，加速腐蚀破坏里层钢板，从而增加舰、船维护保养难度，降低使用寿命。而治理海洋生物污损，维护水下设备又增加了维修次数、提高了维修成本，带来了更多的经济损失。
3.研究发现，生活中海洋中的软珊瑚具有很好的防污性能，这与珊瑚的多孔结构以及表面的触手有关：珊瑚触手在水流作用下摆动的同时，会与其表面的孔道产生牵拉与压缩的联动，孔道内流体在这种联动作用下流动，在珊瑚表面形成不稳定表面，阻碍微生物的粘附。
4.受珊瑚的启发，本发明提出了一种多孔道联动驱离机制的仿生防污表面，以解决现有技术在生物污损防治方面所存在的问题。


技术实现要素：

5.本发明所提出的一种多孔道联动驱离机制的仿生防污表面的结构包括：触手部分和多孔道基底部分两个部分，
6.其中，触手部分是由低弹性模量材料制成的条状物，触手底部插入在多孔道基底中，所述多孔道基底中包含有若干孔道，所述的孔道与多孔道基底上表面相通；触手在流体作用下摆动，并对基底部分产生挤压和拉伸，使多孔道基底中的孔道结构有规律地压缩和舒张，形成触手-孔道结构的联动效应。
7.在这种联动效应下，形成“吸入-喷射”动态扰动表面，不给微生物黏附提供稳定的表面，达到“驱离”微生物的目的，从而抑制微生物膜的形成。
8.该防污表面触手与基底材料也可以采用如聚二甲基硅氧烷(pdms)、聚氨酯(ptu)等低弹性模量预聚物；
9.该表面还可以通过注入抑菌物质，由多孔基底存储抑菌物质，在触手-孔道结构的联动效应下抑菌物质持续析出，达到抑菌防污的作用。
10.触手部分采用模板法制备得到，具体步骤如下：
11.(1)称取100g硅橡胶，加入1g固化剂并搅拌均匀；
12.(2)将经过充分搅拌后的硅橡胶置于真空干燥箱中，抽真空保持负压3mpa的状态，直到硅橡胶中气泡消失；
13.(3)将硅橡胶倒入模具，再次置于真空干燥箱中，在60℃环境中加热24h，保证硅橡胶充分交联固化；
14.(4)开模获得仿珊瑚硅橡胶触手，在本次制备中，触手直径2mm，高度15mm。
15.多孔道基底部分采用牺牲模板法制备得到，具体的制备步骤如下：
16.(1)称取20g硅橡胶，加入0.2g固化剂与10g乙酸乙酯，并搅拌均匀，获得硅橡胶稀释液；
17.(2)向硅橡胶稀释液中加入55g氯化钠并搅拌均匀，获得硅橡胶-氯化钠混合液；
18.(3)将硅橡胶-氯化钠混合液置于真空干燥箱中，抽真空保持负压3mpa的状态，直到硅橡胶中气泡消失；
19.(4)将仿珊瑚硅橡胶触手置于方形模具中，浇入除气泡后的硅橡胶-氯化钠混合液，使混合液平铺于触手底部，厚度约触手高度的一半；再次置于真空干燥箱中，在60℃环境中加热24h，保证乙酸乙酯挥发以及硅橡胶充分交联固化；
20.(5)开模后获得含有氯化钠的仿生防污膜，将其在60℃条件下水浴加热24h以溶解氯化钠颗粒；为增加溶解效率，每间隔2h左右换一次水，加速氯化钠溶解；
21.(6)完成上述步骤后，将仿生防污膜放入60℃烘箱中烘干，获得仿生防污膜。
22.本发明可采用水溶性聚乙烯醇纤维等易溶解材料替代氯化钠作为牺牲模板。
23.本发明可以通过改变氯化钠(牺牲模板)粒径大小以及氯化钠(牺牲模板)与硅橡胶(基底材料)配比，得到不同孔径、不同孔道密度以及不同孔道形态的样件，此外，触手高度和基底厚度可依需求调整。
24.本发明的有益效果：
25.本发明所提供的表面结构能够模仿海洋中的软珊瑚，具有触手-孔道结构的联动效应：在流体作用下，触手结构会随之摆动，并对基底部分产生挤压和拉伸，使孔道结构有规律地压缩和舒张。在这种联动效应下，形成“吸入-喷射”动态扰动表面，不给微生物黏附提供稳定的表面，达到“驱离”微生物的目的，从而抑制微生物膜的形成。
26.该表面还可以通过注入抑菌物质，由多孔基底存储抑菌物质，在触手-孔道结构的联动效应下抑菌物质持续析出，达到抑菌防污的作用。
附图说明
27.图1为仿生防污表面触手-孔道联动效应示意图。图中：1.孔道2.触手3.流体4.不稳定表面5.微生物
28.图2为触手部分模具。
29.图3为多孔道仿生防污表面样件切面图。
30.图4和图5为触手摆动状态下多孔道仿生防污表面样件切面图。
具体实施方式
31.下面以具体实施方式对本发明技术方案做进一步解释和说明。
32.如图1所示，本实施例中一种多孔道联动驱离机制的仿生防污表面的结构包括：触手部分和多孔道基底部分两个部分，
33.其中，触手部分是由低弹性模量材料制成的条状物，触手底部插入在多孔道基底中，所述多孔道基底中包含有若干孔道，所述的孔道与多孔道基底上表面相通；触手在流体作用下摆动，并对基底部分产生挤压和拉伸，使多孔道基底中的孔道结构有规律地压缩和
舒张，形成触手-孔道结构的联动效应(如图3～图5所示)。
34.在这种联动效应下，形成“吸入-喷射”动态扰动表面，不给微生物黏附提供稳定的表面，达到“驱离”微生物的目的，从而抑制微生物膜的形成。
35.该防污表面触手与基底材料也可以采用如聚二甲基硅氧烷(pdms)、聚氨酯(ptu)等低弹性模量预聚物；
36.该表面还可以通过注入抑菌物质，由多孔基底存储抑菌物质，在触手-孔道结构的联动效应下抑菌物质持续析出，达到抑菌防污的作用。
37.触手部分采用模板法制备得到，具体步骤如下：
38.(1)称取100g硅橡胶，加入1g固化剂并搅拌均匀；
39.(2)将经过充分搅拌后的硅橡胶置于真空干燥箱中，抽真空保持负压3mpa的状态，直到硅橡胶中气泡消失；
40.(3)将硅橡胶倒入模具，再次置于真空干燥箱中，在60℃环境中加热24h，保证硅橡胶充分交联固化；
41.(4)开模获得仿珊瑚硅橡胶触手(模具如图2所示)，在本次制备中，触手直径2mm，高度15mm。
42.多孔道基底部分采用牺牲模板法制备得到，具体的制备步骤如下：
43.(1)称取20g硅橡胶，加入0.2g固化剂与10g乙酸乙酯，并搅拌均匀，获得硅橡胶稀释液；
44.(2)向硅橡胶稀释液中加入55g氯化钠并搅拌均匀，获得硅橡胶-氯化钠混合液；
45.(3)将硅橡胶-氯化钠混合液置于真空干燥箱中，抽真空保持负压3mpa的状态，直到硅橡胶中气泡消失；
46.(4)将仿珊瑚硅橡胶触手置于方形模具中，浇入除气泡后的硅橡胶-氯化钠混合液，使混合液平铺于触手底部，厚度约触手高度的一半；再次置于真空干燥箱中，在60℃环境中加热24h，保证乙酸乙酯挥发以及硅橡胶充分交联固化；
47.(5)开模后获得含有氯化钠的仿生防污膜，将其在60℃条件下水浴加热24h以溶解氯化钠颗粒；为增加溶解效率，每间隔2h左右换一次水，加速氯化钠溶解；
48.(6)完成上述步骤后，将仿生防污膜放入60℃烘箱中烘干，获得仿生防污膜。
49.本发明可采用水溶性聚乙烯醇纤维等易溶解材料替代氯化钠作为牺牲模板。
50.本发明可以通过改变氯化钠(牺牲模板)粒径大小以及氯化钠(牺牲模板)与硅橡胶(基底材料)配比，得到不同孔径、不同孔道密度以及不同孔道形态的样件，此外，触手高度和基底厚度可依需求调整。
51.通过实验发现，氯化钠与硅橡胶配比在5：2到7：2最合适，氯化钠含量与形成孔道密度成正比。过少的氯化钠将导致氯化钠被硅橡胶包裹，难以完全融出；过多的氯化钠会使样品内部严重空洞，在脱模时极易碎裂。基底厚度一般保持在触手高度的1/3到2/3，过薄的基底会使触手-孔道结构的联动效应减弱；过厚的基底将缩短触手伸出部分，不利于触手的摆动。