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武大薛龍建團隊《Chin. J. Chem.》:可用于減阻的仿魚皮Janus水凝膠涂層

更新時間:2024-01-22點擊次數(shù):1474
在眾多工程領域發揮效力,如管道運輸新格局、微流體和航運業(yè),對減阻表面的需求正日益上升安全鏈。在自然界中顯示,魚類的魚鱗結構和體表的粘液賦予了魚類優(yōu)異的水動力特性和防污性能,有利于它們捕食和躲避捕食者真正做到。受此啟發(fā)科普活動,武漢大學動力與機械學院薛龍建教授課題組聯(lián)合工業(yè)科學研究院趙焱教授設計開發(fā)了一種具有魚鱗結構的Janus水凝膠涂層(JHC創新延展,該涂層由具有仿魚鱗結構的減阻上表面SLH較強黏附性能下表STH)組成相關研究成果以題為Fish Skin-inspired Janus Hydrogel Coating for Drag Reduction"的文章發(fā)表在Chinese Journal of ChemistrySCI一區(qū)長期間,IF = 5.4)上基本情況。博士研究生張鈺榮為第一作者,薛龍建教授和趙焱教授為共同通訊作者高端化。


 
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作者首先通過摩方精密micro Arch® S230(精度:2 μm)打印了以翹嘴魚魚鱗為原型的仿生模板力量。結合模板法和光引發(fā)聚合合成了JHC(如圖1)。具體制備步驟分為兩步:(1)將JHC背面的STH預聚物溶液鋪展在玻璃基板上提單產,并在紫外線照射(波長365 nm)下固化深入實施;(2)將含有STH的基底覆蓋在已填充SLH預聚物溶液的魚鱗結構負模板上,紫外固化后脫去負模板得到JHC精準調控。JHC完整復刻了3D打印的魚鱗結構有效性,且由于STH和SLH具有相同的主要化學成分,兩水凝膠牢固地結合在一起機遇與挑戰。通過調控STH和SLH水凝膠體系中的單體廣泛關註、交聯(lián)劑和第二網(wǎng)絡聚合物含量,可以改變兩層水凝膠的交聯(lián)程度集成技術,進一步控制涂層的黏-滑性能就能壓製。
 
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圖1. Janus水凝膠涂層(JHC)的概念和結構。(a)仿翹嘴魚皮膚的JHC的設計策略適應能力。(b更優美,c)JHC的(b)詳細制造工藝和(c)反應機理的示意圖。圖(c)中的插圖:(i)紫外線下粘性水凝膠層(STH)的聚合機理防控。(ii)光滑水凝膠層(SLH)中的殼聚糖季銨鹽(CQAS)的物理交聯(lián)成效與經驗。(iii)SLH層中聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)[P(AA-co-AM)]的化學交聯(lián)。(iv)載玻片上的SLH(頂部)和STH(底部)層的粘附性能堅實基礎。JHC的(d)光學照片(e)3D輪廓圖像稍有不慎,(f-i)掃描電子顯微鏡圖片。



隨后等地,作者研究了STH層在法向和切向的黏附性能最為顯著,并探討了殼聚糖季銨鹽(CQAS)濃度對STH剪切粘附性的影響(圖2)。P(AA-co-AM)豐富的氨基和羧酸基團規定,有助于STH與各種表面之間的靜電相互作用和氫鍵的形成環境,賦予了其在陶瓷、玻璃高質量、鋼相對簡便、銅、紙箱流程、竹子和聚合物等表面的良好黏附性能合作。
 
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圖2. JHC的粘附性能勃勃生機。(a)JHC從紙上剝離的照片。JHC中的STH層被亞甲基藍染色一站式服務。(b)STH的剪切應力-位移曲線廣度和深度。(b)中的插圖是試驗的示意圖和試驗后STH的照片深入交流。(c)CQAS濃度對STH的剪切應力的影響引領作用。(d)STH和SLH的法向粘附力。(e)STH對各種表面的黏附能力處理。



SLH表面的摩擦力非常小建設。作者將5 g的砝碼放置在傾斜角為5°的JHC表面,砝碼迅速從SLH表面滑落助力各行。在10 mN的法向載荷下前來體驗,紅寶石與SLH表面的摩擦力僅為2.77±1.51 mN。SLH在水下的摩擦力比干態(tài)下低18倍左右確定性,這表明水在降低JHC的表面摩擦力中發(fā)揮了重要作用更加廣闊。經(jīng)過150 h的浸泡,SLH在水中的溶脹率僅為11 wt%講故事,優(yōu)異的抗溶脹性能確保了仿魚鱗結構在水下的穩(wěn)定性非常完善。當CQAS含量為6 wt%時,SLH的力學性能優(yōu)異全面革新。通過圓珠筆穿刺作用、手術刀切割、拉伸行業分類、扭曲并拉伸技術特點、打結并拉伸等測試更是直觀展示了SLH的優(yōu)異力學性能。
 
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圖3. 光滑水凝膠(SLH)的力學性能發展邏輯。(a)5 g砝碼從傾斜5°的JHC上表面滑落的照片凝聚力量。(b)10 mN的法向負載力下,STH和SLH的摩擦力聽得進。(c)在去離子水中浸泡不同時間后SLH的溶脹率註入了新的力量。通過測量五個樣品的平均值獲得。具有不同濃度CQAS的SLH的(d)拉伸應力-應變曲線更多可能性,(e)楊氏模量和(f)最大應力去創新。(g)SLH受圓珠筆穿刺、手術刀切割緊迫性、拉伸結構、扭轉拉伸、打結拉伸的照片高效。比例尺為1 cm溝通協調。



而后要素配置改革,作者采用粒子圖像測速系統(tǒng)研究了JHC的減阻性能(圖4)。與平面SLH相比高效節能,魚鱗結構賦予JHC更短的水流速度梯度場影響力範圍,使水流到達無干擾速度的距離縮減了38.5%;且JHC表面上方相同距離處的流速均大于SLH平面上方的流速新創新即將到來。
 
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圖4. JHC的減阻邁出了重要的一步。(a)粒子圖像測速儀(PIV)測試系統(tǒng)示意圖。(b設施,d)在(b)SLH平面和(d)JHC上的PIV測試照片需求。(b,d)中的白色光點是示蹤劑粒子組合運用。(c更讓我明白了,e)分別基于PIV測試計算的(c)SLH平面和(e)JHC表面水流速度分布圖。(f)SLH平面和JHC的歸一化速度對比圖積極。



最后探索,作者通過水凝膠涂覆在3D打印的小船底部,探究了JHC的水下防污性能產業。結果表明滿意度,JHC在水下可以防止烷烴、芳香以及極性有機溶劑和金黃色葡萄球菌的黏附狀況。由此可見機製性梗阻,魚鱗結構是水下防油污的關鍵,而殼聚糖季銨鹽是JHC抑制了生物黏附的關鍵全過程。
 
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圖5. JHC的防污性能集成應用。(a)SLH和JHC在水下與正己烷的接觸角。(b)JHC防污照片不負眾望。正己烷高效流通、礦物油、甲苯和丙酮用油紅染色精準調控。(c-e)與金黃色葡萄球菌共培養(yǎng)30 h的(c)PDMS功能、(d)SLH和(e)JHC表面的SEM圖像和(f)相應的金黃色葡萄球菌覆蓋率。



結論:受魚鱗表面結構和黏液的啟發(fā)解決,作者采用兩步紫外光照射成功制備了由STH層和SLH層組成的可用于減阻的JHC水凝膠涂層預期。以CQAS為物理交聯(lián)劑的STH層,在多種表面均具有較強的黏附性能幅度。在SLH層中引入化學交聯(lián)劑MBAA結構,使得具有魚鱗結構的SLH表現(xiàn)出優(yōu)異的力學強度、抗溶脹、抗污染和減阻性能簡單化。