一种水下传感器防附着用功能的织物材料及其制

本发明属于水下传感器防附着用功能的织物材料，具体而言，涉及一种水下传感器防附着用功能的织物材料及其制备方法。背景技术：1、水下传感器是在水下环境中进行信息采集和监测的重要设备，广泛应用于海洋资源勘探、海洋环境监测、水下机器人等领域。这类传感器需要能够在潮湿、腐蚀性强的水下环境中长期稳定工作，并提供可靠的监测数据。然而，现有的水下传感器在实际应用过程中，常会面临一些亟待解决的技术问题：2、首先，水下环境对传感器外壳和结构件的机械性能提出了较高要求。水压、水流等因素会对传感器造成显著的机械损害，导致其防水性能下降、结构强度降低，从而缩短使用寿命。现有的金属或高分子材料制成的传感器外壳，在恶劣的水下工作环境中难以提供可靠的保护。其次，水体中存在的腐蚀性物质，如盐分、酸碱等，会严重腐蚀传感器的关键部件，如传感元件、接口电路等，造成电性能衰减，甚至完全失效。尽管有防腐涂层等手段可以起到一定保护作用，但在长期使用过程中其效果往往难以持久。再者，水下环境具有复杂多变的生物特性，大量的水生微生物和藻类会在传感器表面附着生长，形成生物污垢。这不仅会影响传感器的正常工作，还可能促进腐蚀反应的发生，缩短传感器的使用寿命。现有的防污涂层对水生生物的阻隔作用较为有限。最后，水下传感器常需部署在偏远海域，难以实现频繁的维护保养。一旦发生故障或性能衰退，维修成本和工作难度都会大大提高。因此，如何赋予水下传感器更加出色的抗腐蚀性、防污性以及延长使用寿命的能力，成为亟待解决的关键技术问题。3、当前，水下传感器防生物附着早已引起国内外研究者的关注，目前的解决措施主要有涂敷防污漆、钢铁内添加试剂、应用紫铜条、更换或定期清理水声换能器等，然而涂层易脱落且直接与传感器接触，而定期更换或清理需要专业的人工介入，大大增加维护成本。目前，尚无对水下传感器采用织物进行防护的技术。技术实现思路1、有鉴于此，本发明提供一种水下传感器防附着用功能的织物材料及其制备方法，能够解决当前尚无对水下传感器采用织物进行防护的技术问题。2、本发明是这样实现的：3、本发明的第一方面提供一种水下传感器防附着用功能的织物材料，包括基底材料、粘合剂层和功能性涂层；所述基底材料为100%锦纶针织物，所述粘合剂层由壳聚糖溶液制成，所述功能性涂层包括软珊瑚提取物、辣椒素和聚氨酯乳液。4、其中，所述功能性涂层中软珊瑚提取物与辣椒素通过氢键交联。5、其中，所述功能性涂层经冷冻干燥处理形成气凝胶结构。6、其中，具体配方为：基底材料采用100%锦纶针织物；粘合剂采用2~6%w/v的壳聚糖溶液；功能性涂层：软珊瑚提取物4~8%w/v，辣椒素0.8~2.5%w/v，聚氨酯乳液7~15%w/v。7、进一步的，具体配方为：基底材料采用100%锦纶针织物；粘合剂采用5%w/v的壳聚糖溶液；功能性涂层：软珊瑚提取物7%w/v，辣椒素2%w/v，聚氨酯乳液8%w/v。8、本发明的第二方面提供一种水下传感器防附着用功能的织物材料的制备方法，其中，包括以下步骤：9、基底材料准备：选择100%锦纶针织物作为基底材料；10、粘合剂制备：配制低浓度、高粘度的壳聚糖溶液；11、基底材料处理：将锦纶针织物浸渍于壳聚糖溶液中，形成均匀的粘合剂涂层；12、功能性涂层前驱液配制：将软珊瑚提取物、聚氨酯乳液和辣椒素按照预定的配方比例混合，制成流动性良好的混合溶液；13、涂层复合：使用旋涂机将功能性涂层前驱液均匀涂覆于处理后的织物表面，在离心力作用下与织物线圈复合；14、交联成胶：涂层组分中丰富的羟基在氢键作用下进行交联，形成凝胶结构；15、冷冻干燥：将复合后的织物置于冷冻干燥机中进行24小时的均质冻干处理；16、性能测试：对制备完成的功能性防护织物进行物理性能和防护性能测试，确保满足水下传感器防护要求。17、进一步的，所述交联成胶步骤，采用阶梯时间温度的方式进行交联处理，所述阶梯时间温度确定的方法，具体包括以下步骤：18、s01、建立交联反应的化学动力学方程，包括软珊瑚提取物、辣椒素和聚氨酯之间的氢键交联反应；19、s02、设计并进行一系列不同温度和时间条件下的交联实验，获取实验数据，包括反应程度、交联密度参数；20、s03、利用实验数据对化学动力学方程进行求解，得到反应速率常数和活化能参数；21、s04、基于求解结果，建立交联程度与温度、时间的数学模型；22、s05、根据材料性能要求、生产效率和能耗的多个边界条件，对所述数学模型进行约束，得到满足条件的温度-时间组合；23、s06、将满足条件的温度-时间组合转化为多个温度时长向量，每个向量包含若干个温度阶段及对应的时长；24、s07、建立优化目标函数，综合考虑交联程度、生产效率和能耗因素；25、s08、利用遗传算法对温度时长向量进行优化，以最大化目标函数；26、s09、通过多次迭代优化，得到最优的温度时长向量，用于表示不同温度阶段的交联反应时长，作为最终的阶梯时间温度方案。27、其中，所述步骤s01，具体包括：建立描述软珊瑚提取物、辣椒素和聚氨酯之间氢键交联反应的化学动力学方程组。该方程组包含了反应活性物种的浓度变化规律以及反应速率常数与温度的关系。通过该方程组的建立，为后续温度-时间曲线的优化设计奠定了理论基础。28、其中，所述步骤s02，具体包括：设计并进行一系列不同温度和时间条件下的交联实验。通过改变反应温度和时间等参数，获取了包括反应程度、交联密度等在内的一系列实验数据。这些实验数据为后续动力学方程的求解提供了必要的输入。29、其中，所述步骤s03，具体包括：利用步骤s02获取的实验数据，对步骤s01建立的化学动力学方程组进行求解。通过非线性拟合等数值计算方法，可以从实验数据中准确提取出反应速率常数、活化能等关键动力学参数。这些参数为后续的数学模型建立奠定了基础。30、其中，所述步骤s04，具体包括：基于步骤s03求解得到的动力学参数，建立描述交联程度随温度和时间变化的数学模型。该模型采用解析形式，能够直接给出交联程度随反应条件变化的规律。这为后续的优化设计提供了理论支撑。31、其中，所述步骤s05，具体包括：根据最终产品的性能要求、生产效率和能耗等多个约束条件，对步骤s04建立的数学模型进行优化。通过合理地权衡各个因素的重要性，确定了满足各项要求的最佳温度-时间组合。该组合为后续的阶梯式温度控制方案奠定了基础。32、其中，所述步骤s06，具体包括：将步骤s05确定的最佳温度-时间组合，转化为包含若干个温度阶段及其持续时长的温度时长向量。该向量能够直接用于指导实际生产中的温度-时间控制。33、其中，所述步骤s07，具体包括：建立综合考虑交联程度、生产效率和能耗等因素的优化目标函数。该目标函数能够量化各项性能指标，为后续的算法优化提供可比较的优化依据。34、其中，所述步骤s08，具体包括：采用遗传算法对步骤s06中的温度时长向量进行优化。遗传算法能够有效地搜索出满足各项约束条件的最优温度时长组合，为最终的阶梯式温度控制方案奠定基础。35、其中，所述步骤s09，具体包括：通过多次迭代优化，得到最终的阶梯时间温度方案。该方案能够在保证足够高的交联程度的同时，兼顾生产效率和能耗等因素，为实际生产提供可靠的温度控制参考。36、可选的，所述步骤s08采用的遗传算法具有以下特点：种群规模为100，交叉概率为0.8，变异概率为0.05，迭代次数为500。该算法能够在有限的计算资源下，快速搜索出满足多项约束条件的最优温度时长向量。37、可选的，所述步骤s02中设计的一系列交联实验，温度范围为0-60℃，时间范围为30-120min。通过对这个温度-时间空间进行系统性实验，可以获取涵盖各种反应条件的丰富数据，为后续动力学分析提供可靠的基础。38、可选的，所述步骤s03中采用的非线性拟合方法为gauss-newton算法。该算法能够快速高效地求解包含多个未知参数的动力学方程组，从而准确提取出反应速率常数、活化能等关键参数。39、可选的，所述步骤s04建立的数学模型，在描述交联程度随温度和时间变化时，还考虑了阻尼因子的影响。该因子能够反映出温度升高对反应speed-up的作用，进一步提高了模型的精确性。40、可选的，所述步骤s05中的多目标优化问题，采用加权求和法进行求解。通过设置合理的权重系数，能够灵活地平衡交联程度、生产效率和能耗等指标，得到最优的温度-时间组合。41、可选的，所述步骤s06中将最优温度-时间组合转化为温度时长向量时，每个温度阶段的持续时长采取以下设置：4-10℃持续30min，10-15℃持续40min，15-20℃持续50min，20-25℃持续30min。该分段设置能够确保在整个反应过程中，温度和时间的协同控制，最终实现高效、稳定的交联反应。42、可选的，在所述步骤s07中建立的优化目标函数中，交联程度占50%的权重，生产效率占30%的权重，能耗占20%的权重。通过这样的权重分配，既确保了产品性能，又兼顾了生产效率和能源消耗等因素，体现了全面的系统优化考虑。43、可选的，所述步骤s08中遗传算法的初始种群由50个随机生成的温度时长向量组成。经过500次迭代优化，算法最终收敛到满足各项约束条件的最优解。该优化过程能够在有限计算资源下快速找到最佳的温度控制方案。44、可选的，所述步骤s02中的一系列交联实验还包括了对交联产物的表征分析。通过傅里叶变换红外光谱、x射线衍射等手段，可以进一步确认交联过程中各成分间的化学键合情况，为交联机理的深入理解提供依据。45、可选的，所述步骤s03中的动力学参数估计，还利用了monte carlo模拟的方法对拟合结果进行了不确定性分析。通过大量随机模拟，可以获得各参数的概率分布特征，为后续的温度-时间优化提供了统计学基础。46、进一步的，所述优化目标函数的约束条件包括：交联程度不低于90%、生产效率不低于50件/小时、能耗不超过100kw·h/件。47、进一步的，所述化学动力学方程的公式表述如下：48、；49、；50、；51、其中，[a]、[b]和[c]分别表示软珊瑚提取物、辣椒素和聚氨酯的浓度，、和为相应的反应速率常数。52、其中，所述数学模型表示如下：53、；54、式中：表示交联程度；表示频率因子；表示反应时间；表示活化能；表示气体常数；表示绝对温度。55、与现有技术相比较，本发明提供的一种水下传感器防附着用功能的织物材料及其制备方法的有益效果是：56、首先，本发明选用100%锦纶针织物作为基底材料，其优异的抗拉强度、抗撕裂性能以及耐腐蚀性，能够为水下传感器提供可靠的机械保护。在此基础之上，采用壳聚糖溶液作为粘合剂，将基底材料与功能性涂层牢固结合在一起，确保了两者之间的良好粘接。57、此外，本发明的功能性涂层采用了软珊瑚提取物、辣椒素和聚氨酯乳液三种原料的协同作用。其中，辣椒素具有优异的生物活性和抗菌性，能够有效抑制水生微生物的附着生长，提升织物的抗污能力；软珊瑚提取物则具有优秀的防水防污性能，能够大幅提高织物在水下环境中的耐久性；而聚氨酯乳液则能在涂层中形成持久的柔韧性结构，进一步增强整体机械性能。这三种成分的协同作用，使得本发明的织物材料能够为水下传感器提供全方位的保护。58、另外，本发明采用了独特的交联技术，通过阶梯式的时间-温度控制，使得涂层中的各种成分能够充分发挥协同作用，形成稳定的凝胶结构。这不仅增强了织物的整体力学性能，还为后续的冷冻干燥处理奠定了基础。在低温和真空的作用下，涂层中的水分被完全去除，形成了具有气凝胶结构的功能性涂层。这种独特的结构不仅能够有效隔绝水分，还能提供良好的缓冲保护，大幅提升了织物的防腐蚀性能。59、综上所述，本发明提出的水下传感器防护用织物材料，通过巧妙结合材料学、化学反应动力学、优化算法等多学科知识，不仅在机械强度、防水性等基础性能上优于现有产品，还赋予了出色的抗腐蚀性、抗生物污染性和延长传感器使用寿命的能力。这些特性的协同作用，使得该材料能够为水下传感器提供全方位的可靠保护，解决了当前尚无对水下传感器采用织物进行防护的技术问题。