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水下自润滑仿生涂层的制备及性能研究

赵志红  
【摘要】: 鱼类是水中的游泳好手,是利用身上的鳍在水中沿着曲线游动的,其身体往往呈十分标准的流线型,全身布满粘液,再加上水中浮力的作用,使它们可以很快的游动。因此水中的船只往往都是流线型设计,这是一种仿生的方法,但是这样仍然不能满足人们对航行速度的要求。本论文基于鱼类全身布满粘液的特点,设计一种仿生涂层,将其涂覆在水下作业的装备上,通过表面粘液层来减少行进阻力,提高行进速度。 本论文根据鱼类在水中游泳时其皮肤表面粘液的减阻机理,分别用水溶性高分子聚合物聚丙烯酰胺和聚环氧乙烷对水性环氧涂料进行改性,制备出一种与鱼类皮肤表面粘液减阻机理相似的亲水性减阻涂层——水下自润滑仿生涂层。并用傅里叶变换红外光谱仪、液滴状分析仪、扫描电镜和阻力测试仪等仪器对改性后的涂膜的结构、亲水性、表面形貌、摩擦阻力等各项性能进行测试。 结果表明,改性后的涂膜的亲水性比改性前大大提高。用聚丙烯酰胺对水性环氧涂料改性时,接触角减小30°左右,表面能升高10mJ/m~2左右。且随着聚丙烯酰胺、水性环氧树脂固化剂的加入量的增加;聚丙烯酰胺溶液浓度的降低,涂膜的亲水性逐渐增强,表面能逐渐增大。在室温条件下固化所得涂膜的表面比高温(100℃)固化所得涂膜的表面要平整,但韧性不如高温固化所得涂膜的韧性好。 用聚环氧乙烷对水性环氧涂料进行改性时,接触角减小40°左右,表面能升高17mJ/m~2左右。且随着聚环氧乙烷加入量的增加;水性环氧树脂固化剂加入量的减少;聚环氧乙烷溶液浓度的降低,涂膜的亲水性逐渐增强,表面能逐渐增大。在高温条件下固化所得涂膜的表面比室温下固化所得涂膜的表面要平整,但两种条件下固化所得涂膜的韧性几乎没有什么变化。 在测试涂膜的水下摩擦阻力时,由于实验设备的限制,水流速度不能太大,无法真正模拟鱼雷航行时的真实环境,即水流无法达到湍流状态,使得聚丙烯酰胺和聚环氧乙烷无法充分发挥其假塑性性能。因此,改性后所得涂膜的阻力在低流速时减阻效果并不是很明显,但是随着水流速度的增加,涂膜的减阻效果越来越好,在水速大于0.75m/s时,涂膜的水下阻力减少约6%-10%。


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