CN103407210B - 一种高分子仿生减阻表面及其制备装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高分子仿生减阻表面及其制备装置，属于节能环保领域。其制备装置主要包括静电纺丝装置、支架、激光发生器、减阻纤维、高分子基板、静电发生器、运作台、底座、横向导轨和纵向导轨，静电纺丝装置固定于支架上，在静电发生器所加高压电的作用下进行纺丝，其射流落在高分子基板上，纺丝的同时激光发生器发出的激光照射到纺丝射流与高分子基板接触的位置，使得纺丝射流和高分子基板同时加热熔融于一体，得到减阻纤维。整套装置与外部控制***相连，可以控制其在底座上沿横向导轨和纵向导轨运动，使整个装置间歇、交错、协调地制备微观密布错开线条式结构。本发明获得的高分子仿生减阻表面可用于管道、车体等作为减阻表面，前景广阔。

Description

一种高分子仿生减阻表面及其制备装置

技术领域

本发明涉及一种高分子仿生减阻表面及其制备装置，属于节能环保领域。

背景技术

随着能源危机的蔓延，减阻技术发展成为世界各国科学技术竞争的重要内容之一。目前有多种减阻方法，但这些方法都存在有一定的局限性，而生物形体为人类提供了丰富的构形资源。通过流体动力学和湍流研究水平的不断深入，人们发现物体表面如果有一定形状的沟槽，减阻效果将会更好，以“鲨鱼皮效应”著称的鲨鱼就为人类提供了完美的减阻模板。人们已经通过对鲨鱼鳞盾沟槽模型进行放大和简化制造出了仿生鲨鱼皮，颠覆了人们传统认识中物体表面越光滑流体阻力越小的观念。经过估算，沟槽减阻材料如果大量应用于航运工具，可显著减少燃料消耗、提高航速、延长航程与航时，同时带来可观的环境保护效益。因此，积极开展减阻仿生材料的开发应用研究毫无疑问对解决我国未来能源危机问题具有十分重要的理论和现实意义。

目前对减阻技术的研究，主要集中于两种复制方法：热压电铸法和真空浇注法，热压电铸法由于温度限制和微结构要求高，其所得的仿生减阻表面层次性不好，出现很多凹坑；真空浇注法效果较好，但是对真空环境质量要求较高，如若真空度不足就会产生气泡。因此目前制备仿生减阻表面的方法都或多或少存在生产效率低、仿形精度低、仿生模具精度要求高、制造成本高等问题，因此为克服这些方法就要从根本着手，由于减阻表面为微结构因此需要微处理法，即用微结构满足微结构要求。

针对以上分析，本发明提出了利用静电纺丝法制备一种高分子仿生减阻表面，静电纺丝法获得的射流或纤维为微纳米级，配合高分子材料表面，可高度熔融接合，制备出一种可应用于航空航天、远洋海运、石油管道运输等诸多领域，应用前景广阔。

发明内容

本发明提出一种高分子仿生减阻表面及其制备装置，结合静电纺丝方法将纺丝制备的超细纤维直接应用于高分子仿生减阻表面的制备，不仅满足减阻要求，还具有高效、节能、减排、环保的优点，具有很好的应用前景。

实现上述目的的技术方案是：一种高分子仿生减阻表面，包括减阻纤维和高分子基板，减阻纤维均匀地、错开式地、线条式地排布在高分子基板上，构成微观密布错开线条式结构，高分子基板和静电纺丝制备纤维的材料是相同的材料，可以很好地融合于一体。

本发明提供了一种高分子仿生减阻表面，其所应用的高分子基板和纺丝材料可以为软质环氧树脂、硅橡胶等，软体材质可以用于贴在管道内壁、船体表面，也可以为硬质PVC、PP、ABS等，硬体材料具有耐磨性，可以用于汽车车体、管道转子等。

本发明一种高分子仿生减阻表面的制备装置，主要包括静电纺丝装置、支架、激光发生器、减阻纤维、高分子基板、静电发生器、运作台、底座、横向导轨和纵向导轨，静电纺丝装置固定于支架上，在静电发生器所加高压电的作用下进行纺丝，其射流落在高分子基板上，纺丝的同时开启激光发生器，发出的激光正好照射到纺丝射流与高分子基板接触的位置，使得纺丝射流和高分子基板同时加热有效熔融于一体，得到减阻纤维，另外整套装置与外部控制***相连，可以控制其在底座上沿横向导轨和纵向导轨运动，完成整个装置间歇、交错、协调地进行制备高分子仿生减阻表面的过程。

本发明提供了一种高分子仿生减阻表面的制备装置，其中静电纺丝装置包括柱塞、料盖、料筒、加热圈、温度传感器和喷头，整个装置固定于支架上，聚合物加到料筒中，料盖盖在料筒上，防止聚合物外漏，加热圈直接固定到料筒外壁，由温度传感器控制温度，纺丝喷头为单喷头，利于单根纤维的制备，制得纤维一般为2μm左右，可确保减阻效果。

本发明提供了一种高分子仿生减阻表面的制备装置，其激光发生器对纺丝射流和高分子基板进行激光加热，使之熔融，激光发生器的开停和射向随纺丝射流与高分子基板的接触位置变化而变化。

本发明提供了一种高分子仿生减阻表面的制备装置，其运作台一方面作为静电纺丝装置的电极板，另一方面作为高分子基板的承载台。运作台为导电铜板，底座、横向导轨和纵向导轨均为绝缘耐高温材质做成。运作台可在控制***的控制下于横向导轨和纵向导轨上横向和纵向运转，运动的同时，高压静电发生器也由控制***控制其开停，配合完成交错减阻纤维的制备。

本发明具有静电纺丝高效洁净特性，满足节能环保要求，同时由控制***控制整个装置的协调运作，结构合理简单，操作稳定，控制精度高，实现了产品制造一体化，制备的高分子仿生减阻表面可直接应用于管道、车体等表面，本发明推动了静电纺丝技术直接应用于其他领域，并不断向实践化的方向发展，具有很好的应用前景。

附图说明

图1是本发明一种高分子仿生减阻表面的俯视图

图2是本发明一种高分子仿生减阻表面的制备装置的结构剖面示意图。

图3是本发明一种高分子仿生减阻表面的制备装置的结构示意图的轴测图。

1-柱塞，2-料盖，3-支架，4-料筒，5-加热圈，6-温度传感器，7-喷头，8-纺丝射流，9-激光发生器，10-激光，11-减阻纤维，12-高分子基板，13-运作台，14-静电发生器，15-底座，16-横向导轨，17-纵向导轨，18-静电纺丝装置，a-线条长度，b-横向线条间距，c-重叠长度，d-纵向线条间距。

具体实施方式

本发明提供了一种高分子仿生减阻表面及其制备装置，其制备装置主要包括静电纺丝装置18、支架3、激光发生器9、减阻纤维11、高分子基板12、运作台13、静电发生器14、底座15、横向导轨16和纵向导轨17，如图2所示。其中，静电纺丝装置18主要由柱塞1、料盖2、料筒4、加热圈5、温度传感器6和喷头7，运作台13为导电铜板既作为静电纺丝装置18的电极板，又作为高分子基板12的承载台，底座15、横向导轨16和纵向导轨17均为绝缘耐高温材质做成。整个运行过程如图3所示，静电纺丝装置18制备的纺丝射流8通过激光发生器9发出的激光10加热熔融，直接与高分子基板12熔融于一体，形成减阻纤维11。由控制***控制运作台13在底板15上沿横向导轨16和纵向导轨17移动，同时配合静电发生器14的开停控制静电纺丝装置18的纺丝进程，制备高分子基板12上的微观密布错开线条式结构，即完成高分子仿生减阻表面的制备。

根据图2，静电纺丝装置18固定在支架3上，待温度加热到预设温度，将聚合物加入到料筒4中，当聚合物熔融后流到喷头7附近时，由外部控制***控制开启静电发生器14开始纺丝，同时控制***控制运作台13运动并控制激光发生器9开启发出激光10，使得纺丝射流8与高分子基板12对准位置并熔融于一体，制备第一条减阻纤维11。然后控制***控制关闭静电发生器14和激光发生器9使纺丝和激光加热都暂停，运作台13运动到第二个位置，再开启静电发生器14和激光发生器9按照以上步骤开始制备第二条减阻纤维11，依次类推，完成所有减阻纤维11的制备。其中，根据海洋生物减阻表面分布，凸凹槽一般长60~100μm，间距一般为30~50μm，所以为了获得更好的减阻效果，仿生减阻纤维11的线条长度a设置为50μm，横向线条间距b为40μm，重叠长度c为5μm，纵向线条间距d为40μm，线条均匀、有序、交错分布于高分子基板12上，如图1所示。通过合理控制制备过程，获得高分子仿生减阻表面，可直接应用于管道、飞机、汽车等表面，减小阻力。

Claims (5)

1.一种高分子仿生减阻表面，其特征在于，包括减阻纤维和高分子基板，减阻纤维均匀地、错开式地、线条式地排布在高分子基板上，构成微观密布错开线条式结构，高分子基板和静电纺丝制备减阻纤维的材料是相同的材料。

2.根据权利要求1所述的一种高分子仿生减阻表面，其特征在于，所述的高分子基板和纺丝材料为软质环氧树脂、硅橡胶，或为硬质PVC、PP、ABS。

3.权利要求1所述的一种高分子仿生减阻表面的制备装置，其特征在于，主要包括静电纺丝装置、支架、激光发生器、高分子基板、静电发生器、运作台、底座、横向导轨和纵向导轨，静电纺丝装置固定于支架上，在静电发生器所加高压电的作用下进行纺丝，其射流落在高分子基板上；纺丝的同时开启激光发生器，激光发生器发出的激光正好照射到纺丝射流与高分子基板接触的位置，使得纺丝射流和高分子基板同时加热有效熔融于一体，得到减阻纤维；整套装置与外部控制***相连，可以控制其在底座上沿横向导轨和纵向导轨运动，完成整个装置间歇、交错、协调地进行制备高分子仿生减阻表面的过程；静电纺丝装置包括柱塞、料盖、料筒、加热圈、温度传感器和喷头，静电纺丝装置固定于支架上，聚合物加到料筒中，料盖盖在料筒上，加热圈直接固定到料筒外壁，由温度传感器控制温度，纺丝喷头为单喷头；运作台一方面作为静电纺丝装置的电极板，另一方面作为高分子基板的承载台。

4.根据权利要求3所述的一种高分子仿生减阻表面的制备装置，其特征在于，运作台为导电铜板。

5.根据权利要求3所述的一种高分子仿生减阻表面的制备装置，其特征在于，底座、横向导轨和纵向导轨均由绝缘耐高温材质做成。