船体用钢板基底超疏水表面的制备和性能

鲨鱼皮具备奇妙的微结构双层构造，其μm级肋骨状构造在水中的整流器实际效果可减少水的摩擦阻力。纳米刺状凸起或刚毛具备亲水性特点，使绿色植物抱子难以粘附其上，藻类等绿色植物也不可在其表层生长发育［1,2］。这类微结构构造以及疏水性的相同功效，使其具备良好的减阻和抗粘附特性。

近些年，超疏水表层减阻己变成科研的网络热点。张希等制取出具备μm级网状结构分形构造和纳米精细结构的超疏水金纳米技术构造。江雷等选用模版包装印刷法纪得了具备玫瑰花朵构造的聚二甲基硅氧烧(PDMS)塑料薄膜，该膜具备高静态数据表面张力。与单纯性具备μm或纳米技术构造的PDMS膜对比，用激光切割加工技术性制取的PDMS超疏水塑料薄膜具备很大的表面张力和更小的翻转角。Hsieh等将二氧化铁、空气氧化辞纳米颗粒和低表面的全氟短基甲基丙烯酸聚合物遮盖在不一样表面粗糙度的表层，产生的微结构两层仿生技术构造具备超疏水性。粟常红等将喷沙不光滑化解决的铝块通过嵌入纳米二氧化硅产生微结构两层仿生技术构造，表面张力达到173。在微结构构造超疏水表层结构中，纳米复合材料具备很大的优点，即对气体的捕获相对性非常容易，且气体在其外表的成分相对性较高，有益于使复合型表层得到较低的表面。文中选用激光切割加工方法和SiO2金纳米颗粒搭建微结构两层仿生技术构造，制取超疏水船壳厚钢板表层。

1实验方法

饱和溶液的制取：（1）环氧树脂胶饱和溶液的配置：称量50mL丙酣饱和溶液放置量杯中，向量杯中各滴入5g环氧树脂胶和1g聚眈胶环氧树脂井搅拌均匀，最终滴入0.1g2,4,6二甲硫基3羟基对苯二肢（硫化促进剂, 95%）；（2）SiO2分散化液的配置：称量2g粒度为20m的纳米技术SiO2，将其融解在0.1L的工业乙醇中，并滴入0.5g α-氨丙基氨基二乙氧基硅炕（硅烷偶联剂, 97%）, 超声波分散化3h。最终把制取的0.33mol/L的SiO2分散化液各自稀释液为0.017mol/L、0.042mol/L、0.083mol/L、0.167mol/L.0.25mol/L。（3）低表面溶液的配制：称量0.05g的全氟类基三乙氧基硅炕（PFO,97%）溶解0.1L乙酸乙酯中并搅拌均匀。

试件的制取：（1）搭建表层多孔结构：用线切割机将Q235A级船壳用厚钢板切割成只寸为lOmmxlOmm的试件，并且用预球磨机和研磨抛光机将表层碾磨光洁。用HGL-LSYSOF型激光打标机对它进行表层多孔结构生产加工，搭建间隔为lOO?m、交角为90°的栅格构造：（2）搭建表层微结构构造：将配置的环氧树脂胶饱和溶液旋擦抹具备多孔结构的试件表层，并在常温下吹干30min。向涂成环氧树脂胶饱和溶液的试件表层各自滴入0.017mol/L、0.042mol/L、0.083mol/L、0.167mol/L、0.25mol/L、0.33mol/L的SiO2分散化液，并放置溫度为100℃的烘干箱中5h。取下试件并向每一个试件表层滴加低表面含氟量高聚物PFO装饰饱和溶液，再放置100℃烘干箱中5h。

用PhillipsXL30型扫描仪透射电镜观查镀层的SEM外貌；用LEXTOLS4000激光器共焦显微镜观查试件的表层三维外貌；用HOMMELTESTERT6000粗糙度测量仪精确测量试件的外表粗糙度；用Easy-Drop型接触角测量仪和2μL水珠测量试件表层的表面张力。

2結果与探讨

2.1试件的表层外貌

由图1可以看得出，试件表层具备标准的多孔结构，较大相对高度差为66.2阳。在激光切割加工表层涂敷SiO2分散化液后的SEM外貌如下图2所显示，由此可见表层具备松散多孔结构的纳米构造。厚钢板表层经激光切割加工并涂敷不一样浓度值SiO2分散化液的外表粗糙度，列于表1。伴随着SiO2浓度值的扩大，轮廊的算数平均偏差凡值扩大，即外表粗糙度扩大。但当SiO2浓度值超过0.167mol/L时，在烘干箱烘干处理全过程中有SiO2结晶体进行析出，使SiO2分散化液的浓度值减少，因而最大siO2的浓度值为0.167mol/L。

SiO2分散化液中的氯硅烷是含硅填充料的优选表层填充料剂，硅皖的氨基与SiO2表层的起基脱干缩舍。官能团X可水解反应成氯硅烷醇，其反应方程为YRSiX2 2H20→YRSi(OH)2 2HX. 氯硅烷醇与纳米技术SiO2表层上的甲基脱水缩合，产生共价化合物，使其集聚形状显著减少。

图1 激光切割加工试件的表层三维外貌

图2 镀层的SEM外貌

Y是与不一样涂料树脂有极强的反应能力的有机化学官能团异构，趋于有机化学表层，二者化学交联干固，进而做到氯硅烷把纳米技术SiO2表层和环氧树脂基材偶联反应在一起的实际效果. 氯硅烷醇表层无法完全反应的甲基中间还能够互相脱水缩合产生共价化合物，产生互相化学交联的网状组织，提升表层涂膜的可靠性。

图3为镀层的XPS图谱图内有显著的Si和O原素峰，证实在该表层己遮盖一层SiO2。

图3 镀层的XPS图谱

2.2试件的表面张力

打磨抛光的厚钢板表层表面张力约为70°。经激光切割加工后其表面张力贴近0°，产生超亲水性表层。用低表面含氟量高聚物PFO装饰后，表层表面张力可做到121.0°，产生亲水性表层，可是仅有单一的μm级构造。在打磨抛光厚钢板表层涂敷0.167mol/LSiO2分散化液，再用低表面含氟量高聚物PFO装饰，表面张力为152.4°，这类表层仅有单一的纳米构造。不难看出，纳米技术构造对具备高表面张力的超疏水表层起着关键功效。

在激光切割加工表层涂上了不一样浓度值SiO2分散化液后，再用低表面含氟量高聚物PFO装饰，表层表面张力均超过150°，产生了具备微结构双层构造的超疏水表层。与此同时，伴随着SiO2浓度值的提升表面张力扩大，如下图4所显示。SiO2的浓度值为0.167mol/L，其表面张力可达168.2°。这表明，纳米技术SiO2的含量越高，表面张力越大。与具备单一的μm或纳米技术构造的表层相较为，这类具备微结构双层构造的外表具备很大的表面张力和更强的疏水性。

图4 SiO2浓度值对表面张力的危害

将打磨抛光厚钢板表层用激光切割加工，再用低表面含氟量高聚物PFO装饰后，仅有单一的μm级构造，表层管沟间的间距比较大，液态渗透到表层不光滑构造中，合乎Wenzel实体模型。因为出液渗透到管沟中，没法得到非常大的表面张力，因而表面张力只做到121.0°。在激光切割加工表层涂上了不一样浓度值SiO2分散化液后，产生了具备微结构双层构造的表层，很多SiO2颗粒造成的纳米突起构造使出液与厚钢板表层的触碰总面积降到最低，出液不容易入侵表层构造而截流气体造成充气膜，合乎Cassie实体模型。当SiO2金纳米颗粒的成分较低时，颗粒空隙超过颗粒自身的规格，SiO2金纳米颗粒在底材上随机分布，不利截流气体。伴随着SiO2金纳米颗粒成分的扩大，金纳米颗粒重合沉积，产生了较多的微孔板，有利于气体的截流，因此表面张力扩大。由此可见调整金纳米颗粒的浓度值，可管控表层的润滑性能。

2.3试件的翻转角

将试件放正并在试件表层滴5μL水珠，随后向试件一侧的底端逐片插进螺纹塞规，直到试件表层出液滚下来才行。纪录螺纹塞规薄厚，已经知道试件长为lOmm，可以计算出出液滚下来时试件偏斜的视角，此即该试件的翻转角。表面张力、翻转角是叙述亲水性特性的2个层面，可是彼此之间沒有直接的关联。表面张力比较大的页面其翻转角不一定小。对必须具备减阻和抗粘附特性的船壳厚钢板表层具备较小的翻转角比具备很大的表面张力更加有意义阴。静态数据表面张力对减阻实际效果的危害较小，动态性表面张力是决策减阻实际效果的主要要素口7］。船舰厚钢板的表面（触碰角的大小）决策了海生物在其外表的粘附抗压强度，表面越低（表面张力越大）海生物粘附越艰难，即使有粘附其抗压强度都不太。当船舰以一定速率启动时，小翻转角有利于出液将粘附在其外表的海生物带去。因而，理想化的船舰厚钢板表层应当具备很小的翻转角。

激光切割加工后经低表面含氟量高聚物PFO装饰，但沒有涂敷SiO2分散化液的试件表层（表层表面张力为121.0°的单一μm级构造亲水性表层），即使将试件坚直成90，出液都不滚下来（图5a）。在打磨抛光铜钱表层涂敷0.167mol/L SiO2分散化液，再经过低表面含氟量高聚物PFO装饰的试件表层（表面张力为152.4°的单一的纳米构造超疏水表层），将试件坚直成90。，出液依然不滚下来（图5b）。

图5 单一结构表层水珠情况

而在激光切割加工表层涂敷不一样浓度值SiO2分散化液后，再经过低表面含氟量高聚物PFO装饰，产生的超疏水表层的翻转角明显减少且伴随着SiO2浓度值的增加而减少（图6）。当SiO2的成分为0.167mol/L，翻转角仅为0.29°。

图6 SiO2浓度值对翻转角的危害

依据2.2节的剖析，针对激光切割加工后经低表面含氟量高聚物PFO装饰的表层（表面张力121.0°)，因为沒有涂敷SiO2分散化液，这类表层仅有单一的μm级构造，表层合乎Wenzel实体模型的湿触碰情况，液态渗透到表层不光滑构造中产生持续的三相触碰线而具备比较大的黏滞力，水珠以侵润方式触碰表层，就好像被“钉”表面层。这时即使将表层垂直置放，出液都不翻转。针对在打磨抛光厚钢板表层立即涂敷0.167mol/LSiO2分散化液，再经过低表面含氟量高聚物PFO装饰的仅有单一纳米技术构造的超疏水表层（表面张力152.4°），因为纳米管沟很浅无法截流汽体，液态进到纳米管沟中，这一表层也合乎Wenzel实体模型。表层对出液的粘合力很强，即使将表层坚直置放出液也不会翻转。这进一步证明了表面张力、翻转角彼此之间沒有直接的关联，超疏水表层并不一定都具备小的翻转角。可是，一样是超疏水表层，即使表面张力相距不大（表面张力为152.4°的具备单一纳米技术结构设计和表面张力为153.4°的具备微结构双层构造），其翻转角却相差悬殊（90和3.15）。即与表面张力较为，表层的微结构双层构造对翻转角的危害更明显。具备微结构双层构造的表层合乎Cassie情况，水珠与固态表层产生不持续触碰造成黏滞力不大，这将造成较小的翻转角。不难看出，微结构双层构造更改了出液对不光滑表层上凹形槽的添充度，与此同时造成勃附属性有一定的差别，使单一纳米技术构造表层和微纳双层构造表层的翻转角有较大的差别。

图6表明，伴随着SiO2金纳米颗粒成分的提升，具备微结构双层构造的表层翻转角减少。其根本原因是，出液翻转角的大小由后触碰线的情况决策，而且翻转角的大小与最边缘三相触碰线内的非均相触碰情况、及其前触碰线情况不相干。为了更好地获得翻转角尽量小的超疏水表层，减少后触碰线段长度是非常重要的。伴随着SiO2金纳米颗粒成分的提升表面张力扩大，非均相触碰范畴减少，后触碰线减短，更有益于出液的健身运动，因而翻转角减少。这表明纳米技术与μm构造紧密结合的双层构造可以明显地减少出液在表层的翻转角，这针对抗粘附特性特别是在关键。

3结果

1.将SiO2金纳米颗粒分散化在低表面含氟量高聚物中，并将其涂敷在激光切割加工的表层多孔结构上，可搭建微结构两层仿生技术构造。

2.与具备单一的μm或纳米技术构造的表层较为，具备微结构双层构造的外表可以得到很大的表面张力。表面张力与纳米技术SiO2浓度值相关，浓度值越高其表面张力越大。

3.单一μm设计和纳米技术构造的表层合乎Wen?zel实体模型，即使将表层坚直置放出液也不会滚下来。微结构双层构造的表层合乎Cassie实体模型，其表面张力大而翻转角小。且翻转角伴随着SiO2浓度值的提升而诫小。

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