CN116254038B - 一种具有双层结构的仿生超滑涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有双层结构的仿生超滑涂层及其制备方法，涉及功能表面制造领域，包括以下步骤：对基材进行预处理，以去除表面油污；将二氧化硅粉末、乙基纤维素、聚乙二醇和溶液混合进行球磨，并在球磨过程中依次加入树脂和固化剂，得到涂料A；将所述涂料A滚涂在经预处理的基材上，得到三维多孔储油层；将α‑纤维素、乙基纤维素、疏水气相二氧化硅粉末和溶剂混合进行球磨，并在球磨过程中依次加入低表面能修饰剂、树脂和固化剂，得到涂料B；将所述涂料B喷涂在所述三维多孔储油层表面，得到片层状超滑层；将二甲基硅油刷在所述片层状超滑层表面，以此得到仿生超滑涂层；采用上述方案，以提高超滑涂层的耐久性。

Description

一种具有双层结构的仿生超滑涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及功能表面制造领域，具体涉及一种具有双层结构的仿生超滑涂层及其制备方法。
背景技术
在机械、海洋装备、航空航天等领域，零部件面临的腐蚀，生物黏附、结冰等一系列问题，严重影响零部件服役质量，造成能源浪费、资源损耗。例如，在强风沙、雾霾天气下，高压绝缘子容易因污渍积累而发生强烈放电；藤壶、贻贝等生物附着于船舶表面，会增大航行阻力；在高空环境下，机翼表面结冰将导致机翼形状改变，升力不足、阻力增大，甚至增加坠机风险。因此赋予零部件表面抗腐蚀、抗生物黏附、防结冰等功能对于装备服役质量提升以及节能减排具有重要意义。
由猪笼草启发的注液多孔超滑表面因良好的拒液性而具有防腐蚀、自清洁、防粘附等优异功能，为上述问题提供了良好的解决方案。然而，超滑表面也存在一些缺陷，例如，在面对高速剪切、水流冲击时，由于注入液体的丧失，超滑表面的拒液性能急剧下降，严重限制其实际应用。
发明内容
本发明为解决现有技术的不足，目的在于提供一种具有双层结构的仿生超滑涂层及其制备方法，以提高超滑涂层的耐久性。
本发明通过下述技术方案实现：
一种具有双层结构的仿生超滑涂层，包括作为底层的三维多孔储油层和作为顶层的片层状超滑层；
所述三维多孔储油层内均布有若干三维微米通孔，所述三维多孔储油层侧壁分布有若干纳米小孔；
所述片层状超滑层具有致密片状结构，且含有亲油组分。
相对于现有技术中，超滑表面也存在一些缺陷，例如，在面对高速剪切、水流冲击时，由于注入液体的丧失，超滑表面的拒液性能急剧下降，严重限制其实际应用的问题，本方案提供了一种具有双层结构的仿生超滑涂层，以提高超滑涂层的耐久性。
具体方案中，超滑涂层以三维多孔储油层为底层，以片层状超滑层为顶层；其中，三维多孔储油层内部均匀分布有三维微米通孔，孔壁分布有纳米小孔，具有强储油、弱持油能力；片状超滑层结构致密，化学组分亲油，具有强持油能力。由于片状超滑层的强持油能力，在遭受高速剪切、水流冲击时，具有良好的稳定性；即使片状超滑层的硅油出现损失，也可通过三维多孔储油层得到补充，保障涂层的超滑性能，从而提高超滑涂层的耐久性；上述方案中，本涂层有望解决高压绝缘子污闪、舰船生物黏附、飞行器高空结冰等问题，具有经济实用，安全环保，服役寿命长等优点。
进一步优化，所述三维多孔储油层包括以下成分：二氧化硅粉末、乙基纤维素、树脂、固化剂、聚乙烯醇、溶剂和二甲基硅油；所述二氧化硅粉末、乙基纤维素、聚乙二醇、树脂、固化剂和溶剂的质量比为1.2～1.5：1～2：2～4：1：0.6～1：32～40。
进一步优化，所述片层状超滑层包括以下成分：α-纤维素、疏水气相纳米二氧化硅粉末、乙基纤维素、树脂、固化剂、低表面能修饰剂、溶剂和二甲基硅油；所述α-纤维素、疏水气相二氧化硅粉末、乙基纤维素、树脂、固化剂、低表面能修饰剂和溶剂的质量比为1.5～1.7：0.3～0.5：0～1：0.8～1：0.5～0.6：0.72～1.35：24～28。
一种具有双层结构的仿生超滑涂层的制备方法，包括以下步骤：
S1：对基材进行预处理，以去除表面油污；
S2：将二氧化硅粉末、乙基纤维素、聚乙二醇和溶液混合进行球磨，并在球磨过程中依次加入树脂和固化剂，得到涂料A；
S3：将所述涂料A滚涂在经预处理的基材上，得到三维多孔储油层；
S4：将α-纤维素、乙基纤维素、疏水气相二氧化硅粉末和溶剂混合进行球磨，并在球磨过程中依次加入低表面能修饰剂、树脂和固化剂，得到涂料B；
S5：将所述涂料B喷涂在所述三维多孔储油层表面，得到片层状超滑层；
S6：将二甲基硅油刷在所述片层状超滑层表面，以此得到仿生超滑涂层。
进一步优化，所述步骤S1包括以下具体步骤：
利用无水乙醇对基材进行超声清洗，从而去除表面油污，并置于空气环境干燥备用。
进一步优化，所述S2包括以下具体步骤：
S21：按质量比1.2～1.5：1～2：2～4：1：0.6～1：32～40称取二氧化硅粉末、乙基纤维素、聚乙二醇、树脂、固化剂和溶剂；
S22：将称取的二氧化硅粉末、乙基纤维素、聚乙二醇和溶剂放入不锈钢球磨罐中进行球磨，球磨一定时间后，添加树脂，继续球磨一定时间，随后添加固化剂，再次球磨一定时间后获得涂料A。
进一步优化，所述步骤S3包括以下具体步骤：
S31：按质量比1.5～1.7：0.3～0.5：0～1：0.8～1：0.5～0.6：0.72～1.35：24～28称取α-纤维素、疏水气相二氧化硅粉末、乙基纤维素、树脂、固化剂、低表面能修饰剂和溶剂；
S32：将称取的α-纤维素、乙基纤维素、疏水气相二氧化硅粉末和溶剂放入不锈钢球磨罐中进行球磨，球磨一定时间后，加入低表面能修饰剂，继续球磨一定时间后，添加树脂，再次球磨一定时间后，添加固化剂，最后再球磨一定时间后获得涂料B。
进一步优化，所述步骤五中，将所述涂料B喷涂在所述三维多孔储油层表面上之前，需使用砂纸对所述三维多孔储油层进行打磨。
进一步优化，所述疏水气相二氧化硅粉末的粒径为3～7nm，所述二甲基硅油的粘度为50～500cst。
进一步优化，所述树脂为环氧树脂，所述溶液为无水乙醇。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1.本发明提供的一种具有双层结构的仿生超滑涂层及其制备方法，其片状超滑层在未添加乙基纤维素时，具有相对大的储油空间，配合三维多孔储油层的储油效果，在空气环境中放置180天以上，仍具有良好超滑性能(滑动角<10°)。
2.本发明提供的一种具有双层结构的仿生超滑涂层及其制备方法，其超滑层在添加乙基纤维素后，具有强持油能力，配合三维多孔储油层的储油效果，在高剪切环境(8000r/min)下，仍具有良好的超滑性能(滑动角<15°)。
3.本发明提供的一种具有双层结构的仿生超滑涂层及其制备方法，其超滑层在添加乙基纤维素后，具有强持油能力，配合三维多孔储油层的储油效果，经高压水流冲涮24h后，仍具有良好的超滑性能(滑动角<15°)。
附图说明
为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：
图1为本发明提供的一种实施例的仿生超滑涂层制造工艺流程图；
图2为本发明提供的一种实施例的仿生超滑涂层表层结构的SEM图；
图3为本发明提供的一种实施例的仿生超滑涂层横截面结构的SEM图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
本实施例1提供了一种具有双层结构的仿生超滑涂层，包括作为底层的三维多孔储油层和作为顶层的片层状超滑层；
所述三维多孔储油层内均布有若干三维微米通孔，所述三维多孔储油层侧壁分布有若干纳米小孔；
所述片层状超滑层具有致密片状结构，且含有亲油组分。
相对于现有技术中，超滑表面也存在一些缺陷，例如，在面对高速剪切、水流冲击时，由于注入液体的丧失，超滑表面的拒液性能急剧下降，严重限制其实际应用的问题，本方案提供了一种具有双层结构的仿生超滑涂层，以提高超滑涂层的耐久性。
具体方案中，超滑涂层以三维多孔储油层为底层，以片层状超滑层为顶层；其中，三维多孔储油层内部均匀分布有三维微米通孔，孔壁分布有纳米小孔，具有强储油、弱持油能力；片状超滑层结构致密，化学组分亲油，具有强持油能力。由于片状超滑层的强持油能力，在遭受高速剪切、水流冲击时，具有良好的稳定性；即使片状超滑层的硅油出现损失，也可通过三维多孔储油层得到补充，保障涂层的超滑性能，从而提高超滑涂层的耐久性；上述方案中，本涂层有望解决高压绝缘子污闪、舰船生物黏附、飞行器高空结冰等问题，具有经济实用，安全环保，服役寿命长等优点。
实施例2
本实施例2提供了一种具有双层结构的仿生超滑涂层其制备方法，其特征在于：包括以下具体步骤：
1)、基体预处理：利用无水乙醇对钢/铝合金/铜/陶瓷等基材进行超声清洗以除去表面油污，并置于空气环境干燥备用；
2)、三维多孔储油层的制备：
a.按质量比1.2～1.5：1～2：2～4：1：0.6～1：32～40称取粒径为200nm的二氧化硅粉末、乙基纤维素、聚乙二醇6000颗粒、树脂、固化剂、溶剂；所述树脂为环氧树脂，溶剂为无水乙醇；
b.将步骤a中的二氧化硅粉末、乙基纤维素、聚乙二醇6000颗粒和溶剂放入不锈钢球磨罐中进行球磨，球磨4～8h后，添加树脂，继续球磨1h，添加固化剂，继续球磨1h后获得涂料A；
c.将步骤b获得的涂料A滚涂在经预处理的基材上，常温静置至完全固化；
3)、片状超滑层的制备：
a.按质量比1.5～1.7：0.3～0.5：0～1：0.8～1：0.5～0.6：0.72～1.35：24～28称取长25μm的α-纤维素、粒径3～7nm的疏水气相二氧化硅粉末、乙基纤维素、树脂、固化剂、低表面能修饰剂、溶剂；所述树脂为环氧树脂，溶剂为无水乙醇；
b.将步骤a中称取的α-纤维素、乙基纤维素、疏水气相二氧化硅粉末和溶剂放入不锈钢球磨罐中进行球磨，球磨30min后，加入低表面能修饰剂，继续球磨3～6h后，添加树脂，继续球磨1h，添加固化剂，继续球磨1h后获得涂料B；
c.使用砂纸对三维多孔储油层进行打磨，利用喷枪将步骤b中获得的涂料B均匀喷涂在三维多孔储油层表面，常温静置至完全固化；所述喷枪的喷嘴直径为1.1～1.5mm，喷涂气压为0.3～0.6mpa，喷射距离为10～30cm；
4)、待涂层完全固化后，将粘度为50～500cst的二甲基硅油刷在涂层表面，静置2h后刷涂第二次，获得具有双层结构的仿生超滑涂层。
实施例3：
本实施例3在实施例2的基础上进一步优化，提供了陶瓷表面仿生超滑涂层的构筑；
如图1所示，按照如下步骤进行双层结构仿生超滑涂层的构筑。
1)、基体预处理：利用无水乙醇对陶瓷基材进行超声清洗以除去表面油污，并置于空气环境干燥备用；
2)、三维多孔储油层的制备：
a.按质量比1.2：1：4：1：0.6：32称取粒径为200nm的二氧化硅粉末、乙基纤维素、聚乙二醇6000颗粒、环氧树脂、固化剂、无水乙醇；
b.将步骤a中的二氧化硅粉末、乙基纤维素、聚乙二醇6000颗粒和无水乙醇放入不锈钢球磨罐中进行球磨，球磨4～8h后，添加树脂，继续球磨1h，添加固化剂，继续球磨1h；
c.将步骤b获得的涂料滚涂在经预处理的基材上，常温静置至完全固化；
3)、片状超滑层的制备：
a.按质量比1.7：0.3：0：0.8：0.5：0.72：24称取长25μm的α-纤维素、粒径3～7nm的疏水气相二氧化硅粉末、乙基纤维素、环氧树脂、固化剂、低表面能修饰剂、无水乙醇；
b.将步骤a中称取的α-纤维素、疏水气相二氧化硅粉末、乙基纤维素和无水乙醇放入不锈钢球磨罐中进行球磨，球磨30min后，加入低表面能修饰剂，继续球磨3～6h后，添加树脂，继续球磨1h，添加固化剂，继续球磨1h；
c.使用砂纸对三维多孔储油层进行打磨，利用喷枪将步骤b中获得的涂料均匀喷涂在三维多孔储油层表面，常温静置至完全固化；所述喷枪的喷嘴直径为1.5mm，喷涂气压为0.3mpa，喷射距离为20cm；
4)、待涂层完全固化后，将粘度为50cst的二甲基硅油刷在涂层表面，静置2h后刷涂第二次，获得具有双层结构的仿生超滑涂层。以上步骤制得的涂层在初始状态下的滑动角小于2°；在空气中放置180天以上，滑动角仍小于10°；高速(4000r/min)剪切30min后，失油率为16％，滑动角仍小于10°。
实施例4：
本实施例4在实施例2的基础上进一步优化，提供了钢材表面仿生超滑涂层的构筑；
本施例与实施例3不同之处在于，将步骤(1)中的基材由陶瓷改为DH32/DH36/EH36/AH36号钢片。步骤(2)中的聚乙二醇6000的占比改为2。步骤(3)中的α-纤维素占比改为1.5，疏水气相二氧化硅粉末占比改为0.5，乙基纤维素的占比改为0.5，低表面能修饰剂占比改为1.35，喷枪的喷嘴直径改为1.1cm，喷涂气压改为0.6mpa。步骤(4)中硅油粘度改为500cst，其他步骤与实例3相同。以上步骤的调整，令本实施例4的片状超滑层具有更致密的微孔和更强持油能力，配合三维多孔储油层的储油效果，使得超滑涂层在8000r/min的转速下剪切30min后失油率为6％，滑动角小于15°，经高压水流冲刷24小时后，滑动角小于15°。
实施例5：
本实施例5在实施例2的基础上进一步优化，提供了铝合金表面仿生超滑涂层的构筑；
本施例5与实施例3不同之处在于，将步骤(1)中的基材由陶瓷改为铝合金。步骤(2)中聚乙二醇6000的占比改为2。步骤(3)中乙基纤维素占比改为1，低表面能修饰剂占比改为1。步骤(4)中硅油粘度改为200cst，其他步骤与实例3相同。以上步骤的调整，同样令本实施例5的片状超滑层具有更加致密的微孔和更强持油能力，使得涂层在空气中放置100天后，滑动角仍小于8°，在8000r/min的转速下的剪切30min后失油率为10％，滑动角小于15°，在经过60次的结冰-解冻循环后，滑动角小于15°。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种具有双层结构的仿生超滑涂层，其特征在于，包括作为底层的三维多孔储油层和作为顶层的片层状超滑层；
所述三维多孔储油层内均布有若干三维微米通孔，所述三维多孔储油层侧壁分布有若干纳米小孔；所述三维多孔储油层由以下成分组成：二氧化硅粉末、乙基纤维素、树脂、固化剂、聚乙二醇和溶剂；所述二氧化硅粉末、乙基纤维素、聚乙二醇、树脂、固化剂和溶剂的质量比为1.2～1.5：1～2：2～4：1：0.6～1：32～40；
所述片层状超滑层具有致密片状结构；所述片层状超滑层由以下成分组成：α-纤维素、疏水气相纳米二氧化硅粉末、乙基纤维素、树脂、固化剂、低表面能修饰剂和溶剂；所述α-纤维素、疏水气相纳米二氧化硅粉末、乙基纤维素、树脂、固化剂、低表面能修饰剂和溶剂的质量比为1.5～1.7：0.3～0.5：0～1：0.8～1：0.5～0.6：0.72～1.35：24～28；
将二甲基硅油刷在所述片层状超滑层表面，以此得到仿生超滑涂层。
2.根据权利要求1所述的一种具有双层结构的仿生超滑涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：对基材进行预处理，以去除表面油污；
S2：将二氧化硅粉末、乙基纤维素、聚乙二醇和溶剂混合进行球磨，并在球磨过程中依次加入树脂和固化剂，得到涂料A；
S3：将所述涂料A滚涂在经预处理的基材上，得到三维多孔储油层；
S4：将α-纤维素、乙基纤维素、疏水气相纳米二氧化硅粉末和溶剂混合进行球磨，并在球磨过程中依次加入低表面能修饰剂、树脂和固化剂，得到涂料B；
S5：将所述涂料B喷涂在所述三维多孔储油层表面，得到片层状超滑层；
S6：将二甲基硅油刷在所述片层状超滑层表面，以此得到仿生超滑涂层。
3.根据权利要求2所述的一种具有双层结构的仿生超滑涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下具体步骤：
利用无水乙醇对基材进行超声清洗，从而去除表面油污，并置于空气环境干燥备用。
4.根据权利要求2所述的一种具有双层结构的仿生超滑涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下具体步骤：
S21：按质量比1.2～1.5：1～2：2～4：1：0.6～1：32～40称取二氧化硅粉末、乙基纤维素、聚乙二醇、树脂、固化剂和溶剂；
S22：将称取的二氧化硅粉末、乙基纤维素、聚乙二醇和溶剂放入不锈钢球磨罐中进行球磨，球磨一定时间后，添加树脂，继续球磨一定时间，随后添加固化剂，再次球磨一定时间后获得涂料A。
5.根据权利要求2所述的一种具有双层结构的仿生超滑涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤S4包括以下具体步骤：
S41：按质量比1.5～1.7：0.3～0.5：0～1且不等于0：0.8～1：0.5～0.6：0.72～1.35：24～28称取α-纤维素、疏水气相纳米二氧化硅粉末、乙基纤维素、树脂、固化剂、低表面能修饰剂和溶剂；
S42：将称取的α-纤维素、乙基纤维素、疏水气相纳米二氧化硅粉末和溶剂放入不锈钢球磨罐中进行球磨，球磨一定时间后，加入低表面能修饰剂，继续球磨一定时间后，添加树脂，再次球磨一定时间后，添加固化剂，最后再球磨一定时间后获得涂料B。
6.根据权利要求2所述的一种具有双层结构的仿生超滑涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤S5中，将所述涂料B喷涂在所述三维多孔储油层表面上之前，需使用砂纸对所述三维多孔储油层进行打磨。
7.根据权利要求2所述的一种具有双层结构的仿生超滑涂层的制备方法，其特征在于，所述疏水气相纳米二氧化硅粉末的粒径为3～7nm，所述二甲基硅油的粘度为50～500cst。
8.根据权利要求2所述的一种具有双层结构的仿生超滑涂层的制备方法，其特征在于，所述树脂为环氧树脂，所述溶剂为无水乙醇。
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