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武大薛龙建团队《Chin. J. Chem.》:可用于减阻的仿鱼皮Janus水凝胶涂层

更新时间:2024-01-22      点击次数:163
在众多工程领域,如管道运输、微流体和航运业,对减阻表面的需求正日益上升。在自然界中,鱼类的鱼鳞结构和体表的粘液赋予了鱼类优异的水动力特性和防污性能,有利于它们捕食和躲避捕食者受此启发,武汉大学动力与机械学院薛龙建教授课题组联合工业科学研究院赵焱教授设计开发了一种具有鱼鳞结构的Janus水凝胶涂层(JHC该涂层由具有仿鱼鳞结构的减阻上表面SLH较强黏附性能下表STH)组成相关研究成果以题为Fish Skin-inspired Janus Hydrogel Coating for Drag Reduction"的文章发表在Chinese Journal of ChemistrySCI一区,IF = 5.4)上。博士研究生张钰荣为第一作者,薛龙建教授和赵焱教授为共同通讯作者。


 
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作者首先通过摩方精密micro Arch® S230(精度:2 μm)打印了以翘嘴鱼鱼鳞为原型的仿生模板。结合模板法和光引发聚合合成了JHC(如图1)。具体制备步骤分为两步:(1)将JHC背面的STH预聚物溶液铺展在玻璃基板上,并在紫外线照射(波长365 nm)下固化;(2)将含有STH的基底覆盖在已填充SLH预聚物溶液的鱼鳞结构负模板上,紫外固化后脱去负模板得到JHC。JHC完整复刻了3D打印的鱼鳞结构,且由于STH和SLH具有相同的主要化学成分,两水凝胶牢固地结合在一起。通过调控STH和SLH水凝胶体系中的单体、交联剂和第二网络聚合物含量,可以改变两层水凝胶的交联程度,进一步控制涂层的黏-滑性能。
 
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图1. Janus水凝胶涂层(JHC)的概念和结构。(a)仿翘嘴鱼皮肤的JHC的设计策略。(b,c)JHC的(b)详细制造工艺和(c)反应机理的示意图。图(c)中的插图:(i)紫外线下粘性水凝胶层(STH)的聚合机理。(ii)光滑水凝胶层(SLH)中的壳聚糖季铵盐(CQAS)的物理交联。(iii)SLH层中聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)[P(AA-co-AM)]的化学交联。(iv)载玻片上的SLH(顶部)和STH(底部)层的粘附性能。JHC的(d)光学照片(e)3D轮廓图像,(f-i)扫描电子显微镜图片。



随后,作者研究了STH层在法向和切向的黏附性能,并探讨了壳聚糖季铵盐(CQAS)浓度对STH剪切粘附性的影响(图2)。P(AA-co-AM)丰富的氨基和羧酸基团,有助于STH与各种表面之间的静电相互作用和氢键的形成,赋予了其在陶瓷、玻璃、钢、铜、纸箱、竹子和聚合物等表面的良好黏附性能
 
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图2. JHC的粘附性能。(a)JHC从纸上剥离的照片。JHC中的STH层被亚甲基蓝染色。(b)STH的剪切应力-位移曲线。(b)中的插图是试验的示意图和试验后STH的照片。(c)CQAS浓度对STH的剪切应力的影响。(d)STH和SLH的法向粘附力。(e)STH对各种表面的黏附能力。



SLH表面的摩擦力非常小。作者将5 g的砝码放置在倾斜角为5°的JHC表面,砝码迅速从SLH表面滑落。在10 mN的法向载荷下,红宝石与SLH表面的摩擦力仅为2.77±1.51 mN。SLH在水下的摩擦力比干态下低18倍左右,这表明水在降低JHC的表面摩擦力中发挥了重要作用。经过150 h的浸泡,SLH在水中的溶胀率仅为11 wt%,优异的抗溶胀性能确保了仿鱼鳞结构在水下的稳定性。当CQAS含量为6 wt%时,SLH的力学性能优异。通过圆珠笔穿刺、手术刀切割、拉伸、扭曲并拉伸、打结并拉伸等测试更是直观展示了SLH的优异力学性能。
 
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图3. 光滑水凝胶(SLH)的力学性能。(a)5 g砝码从倾斜5°的JHC上表面滑落的照片。(b)10 mN的法向负载力下,STH和SLH的摩擦力。(c)在去离子水中浸泡不同时间后SLH的溶胀率。通过测量五个样品的平均值获得。具有不同浓度CQAS的SLH的(d)拉伸应力-应变曲线,(e)杨氏模量和(f)最大应力。(g)SLH受圆珠笔穿刺、手术刀切割、拉伸、扭转拉伸、打结拉伸的照片。比例尺为1 cm。



而后,作者采用粒子图像测速系统研究了JHC的减阻性能(图4)。与平面SLH相比,鱼鳞结构赋予JHC更短的水流速度梯度场,使水流到达无干扰速度的距离缩减了38.5%;且JHC表面上方相同距离处的流速均大于SLH平面上方的流速。
 
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图4. JHC的减阻。(a)粒子图像测速仪(PIV)测试系统示意图。(b,d)在(b)SLH平面和(d)JHC上的PIV测试照片。(b,d)中的白色光点是示踪剂粒子。(c,e)分别基于PIV测试计算的(c)SLH平面和(e)JHC表面水流速度分布图。(f)SLH平面和JHC的归一化速度对比图。



最后,作者通过水凝胶涂覆在3D打印的小船底部,探究了JHC的水下防污性能。结果表明,JHC在水下可以防止烷烃、芳香以及极性有机溶剂和金黄色葡萄球菌的黏附。由此可见,鱼鳞结构是水下防油污的关键,而壳聚糖季铵盐是JHC抑制了生物黏附的关键
 
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图5. JHC的防污性能。(a)SLH和JHC在水下与正己烷的接触角。(b)JHC防污照片。正己烷、矿物油、甲苯和丙酮用油红染色。(c-e)与金黄色葡萄球菌共培养30 h的(c)PDMS、(d)SLH和(e)JHC表面的SEM图像和(f)相应的金黄色葡萄球菌覆盖率。



结论:受鱼鳞表面结构和黏液的启发,作者采用两步紫外光照射成功制备了由STH层和SLH层组成的可用于减阻的JHC水凝胶涂层。以CQAS为物理交联剂的STH层,在多种表面均具有较强的黏附性能。在SLH层中引入化学交联剂MBAA,使得具有鱼鳞结构的SLH表现出优异的力学强度、抗溶胀、抗污染和减阻性能。