基于真空蒸鍍的硅藻土基減阻防垢抑藻型功能復(fù)合結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明采用真空蒸鍍的方法在以硅藻土為基材成形出的仿生減阻結(jié)構(gòu)外表面再沉積一層防垢抑藻合金，使得所制備的復(fù)合結(jié)構(gòu)具備減阻、防垢、抑藻等多種功能。有益之處：（1）本發(fā)明采用機(jī)械仿形加工方法直接在固化成型后的硅藻土基結(jié)構(gòu)體上成形出仿生減阻結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)微孔緩釋減阻、仿生形貌減阻兩種減阻機(jī)制的高效、有機(jī)集成；（2）本發(fā)明采用真空蒸鍍方法在仿生減阻結(jié)構(gòu)外表面沉積防垢抑藻合金鍍層，使得硅藻土基結(jié)構(gòu)體進(jìn)一步具備了物理型防垢抑藻功能；（3）本發(fā)明借助固化成型后硅藻殼體的多孔特性吸附減阻、防垢、抑藻型多功能混合溶液以備緩釋，進(jìn)一步從化學(xué)角度強(qiáng)化了功能復(fù)合結(jié)構(gòu)的上述功能。
【專利說(shuō)明】基于真空蒸鍍的硅藻土基減阻防垢抑藻型功能復(fù)合結(jié)構(gòu)的 制作方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于真空蒸鍍的硅藻土基減阻防垢抑藻型功能復(fù)合結(jié)構(gòu)的制作 方法，更特別地說(shuō)，是指采用真空蒸鍍的方法在以硅藻土為基材成形出的仿生減阻結(jié)構(gòu)外 表面再沉積一層防垢抑藻合金，使得所制備的復(fù)合結(jié)構(gòu)具備減阻、防垢、抑藻等多種功能， 屬于仿生制造【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 硅藻土是由硅藻的古代殘骸沉積物生成的硅質(zhì)沉積巖，其主要結(jié)構(gòu)單體是不同種 類形態(tài)(常見(jiàn)的有球形、盤(pán)形、圓筒形、桿形、舟形等）的硅藻殼體及其碎片，主要化學(xué)成分 是二氧化硅。由于中空的硅藻殼體表面布滿微納米級(jí)的通透小孔，這使得硅藻土具有質(zhì) 輕、孔隙度大、吸附性和滲透性強(qiáng)、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定以及耐磨、耐熱等特點(diǎn)，是一種具有重要應(yīng) 用價(jià)值的天然多孔玻璃材料。利用硅藻土的上述特性，將其固化成型后應(yīng)用于減阻領(lǐng)域， 可以作為緩釋減阻劑的結(jié)構(gòu)體，如進(jìn)一步在該結(jié)構(gòu)體表面成形出仿生減阻形貌，則可以制 作出集緩釋減阻與形貌減阻于一體的復(fù)合結(jié)構(gòu)體。例如，專利號(hào)為ZL201110261667. 3、 ZL201110261739. 4、ZL201110261678. 1的中國(guó)專利相繼公開(kāi)了基于硅藻土制作仿生減阻結(jié) 構(gòu)的制作方法。
[0003] 集多種功能于一體、制備功能復(fù)合結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)更多功能的集成與耦合是當(dāng)前功能 復(fù)合材料制造領(lǐng)域的重要發(fā)展趨勢(shì)。當(dāng)前，在管道輸運(yùn)、船舶航運(yùn)等領(lǐng)域除存在減阻需求之 夕卜，還要面對(duì)來(lái)自流固界面上水體硬垢集結(jié)及藻類微生物附著所產(chǎn)生的巨大危害，無(wú)形中 大大增加了相關(guān)設(shè)備的維護(hù)及使用成本，因而在防垢抑藻方面尚存在巨大的社會(huì)需求。以 CuZnX (X代表合金元素）為代表的防垢抑藻合金是當(dāng)前新材料研究領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，該新 型材料在防垢抑藻方面具有顯著的應(yīng)用效果，并已在城市供水和石油開(kāi)采領(lǐng)域開(kāi)展應(yīng)用。 其防垢抑藻機(jī)理是：當(dāng)合金與水接觸時(shí)，由于其整體電負(fù)性比水的小，合金可向水中釋放電 子，由于電子的遷移運(yùn)動(dòng)使合金周圍形成電場(chǎng)，電場(chǎng)作用下使水產(chǎn)生極化效應(yīng)，改變水的靜 電動(dòng)勢(shì)，使水中各種物質(zhì)分子之間的結(jié)合力發(fā)生改變，水中的固相顆粒包括藻類及微生物 袍子受其影響始終處于懸浮和溶解狀態(tài)，從而有效抑制水垢的形成和藻體的附著，達(dá)到防 垢抑藻的目的。因此，在上述硅藻土基仿生減阻結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，如能進(jìn)一步引入防垢抑藻合 金，探索集減阻、防垢、抑藻于一體的新型功能復(fù)合結(jié)構(gòu)的制作方法，必將為工業(yè)生產(chǎn)和人 民生活帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于，提供一種基于真空蒸鍍的硅藻土基減阻防垢抑藻型功能復(fù)合 結(jié)構(gòu)的制作方法，以解決上述技術(shù)問(wèn)題。
[0005] 本發(fā)明所解決的技術(shù)問(wèn)題可以采用以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)： 基于真空蒸鍍的硅藻土基減阻防垢抑藻型功能復(fù)合結(jié)構(gòu)的制作方法，包括以下步驟： 第一步：硅藻土原材料的殼體濾選及結(jié)構(gòu)固化成型 (A) 以市售硅藻土為原材料，室溫條件下將一定量的硅藻土原材料浸入清水中超聲清 洗30min，然后使用15 μ m的濾布過(guò)濾以濾除細(xì)碎硅藻殼體、浮塵及其他可溶物，烘干后得 到粒徑在15 μ m以上的娃藻殼體混合物； (B) 將經(jīng)(A)步驟制得的硅藻殼體混合物置于一定形狀的模具中，采用燒結(jié)固化方法在 一定工藝條件下將娃藻殼體混合物固化成型，脫模后得到一定形狀的娃藻土基結(jié)構(gòu)體； 第二步：仿生減阻結(jié)構(gòu)在硅藻土基結(jié)構(gòu)體表面的機(jī)械仿形加工成形 (A) 以某種高游速水下生物的表皮作為仿生減阻結(jié)構(gòu)的構(gòu)形來(lái)源，借助一定的抽象、簡(jiǎn) 化和放大手段構(gòu)建出仿生減阻結(jié)構(gòu)的數(shù)字化模型； (B) 以經(jīng)(A)步驟構(gòu)建的仿生減阻結(jié)構(gòu)數(shù)字化模型為依據(jù)，采用機(jī)械仿形加工方法在第 一步制得的硅藻土基結(jié)構(gòu)體某一表面上成形出具有一定加工精度的仿生減阻結(jié)構(gòu)； 第三步：防垢抑藻合金鍍層在仿生減阻結(jié)構(gòu)外表面的真空蒸鍍沉積 (A) 將第二步加工有仿生減阻結(jié)構(gòu)的硅藻土基結(jié)構(gòu)體用去離子水反復(fù)沖洗4?6次然 后烘干，以去除機(jī)械仿形加工過(guò)程中產(chǎn)生的硅藻殼體碎片及粉塵； (B) 以銅鋅系合金CuZnX作為防垢抑藻合金，在確保不阻塞絕大多數(shù)硅藻殼體微孔的 前提下，采用多源共鍍型真空蒸鍍方法在經(jīng)(A)步驟清洗后的仿生減阻結(jié)構(gòu)外表面上沉積 一定厚度、一定組分比的防垢抑藻合金鍍層； (C) 在不致熔化二氧化硅質(zhì)硅藻殼體固化結(jié)構(gòu)的前提下，采用一定的加熱溫度對(duì)經(jīng)（B) 步驟制得的防垢抑藻合金鍍層進(jìn)行晶化熱處理，使其由非晶態(tài)合金變?yōu)榫B(tài)合金； 第四步：減阻劑、防垢劑和抑藻劑在功能復(fù)合結(jié)構(gòu)體內(nèi)部的吸附 (A) 以市售常用減阻劑、防垢劑、抑藻劑作為強(qiáng)化功能復(fù)合結(jié)構(gòu)體減阻、防垢、抑藻功能 的流體介質(zhì)，分別配置適當(dāng)濃度的減阻液、防垢液、抑藻液并充分混合在一起，制得多功能 混合溶液； (B) 將第三步制得的功能復(fù)合結(jié)構(gòu)體浸入經(jīng)（A)步驟配置的多功能混合溶液中，真空除 氣15min?30min后再靜置60min?120min，以保證娃藻土基結(jié)構(gòu)體內(nèi)部眾多娃藻殼體空 腔及微孔吸附足夠多的多功能混合溶液以備緩釋，最終制得兼具硅藻殼體固化緩釋結(jié)構(gòu)、 仿生減阻結(jié)構(gòu)和防垢抑藻合金鍍層的功能復(fù)合結(jié)構(gòu)體。
[0006] 所述高游速水下生物是指鯊魚(yú)、金槍魚(yú)、旗魚(yú)、劍魚(yú)。
[0007] 所述防垢抑藻合金鍍層的厚度是50nm?80nm。
[0008] 所述防垢抑藻合金鍍層中合金元素 Cu的重量百分比含量為46%?56 %，合金元素 Zn的重量百分比含量為25%?35 %。
[0009] 所述銅鋅系合金CuZnX中合金元素 X是Al、Ni、Cr、Ti中的一種或幾種金屬的組 合，其重量百分比含量為9?29%。
[0010] 本發(fā)明的有益之處：（1)本發(fā)明采用機(jī)械仿形加工方法直接在固化成型后的硅藻 土基結(jié)構(gòu)體上成形出仿生減阻結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)微孔緩釋減阻、仿生形貌減阻兩種減阻機(jī)制 的高效、有機(jī)集成；（2)本發(fā)明采用真空蒸鍍方法在仿生減阻結(jié)構(gòu)外表面沉積防垢抑藻合 金鍍層，使得硅藻土基結(jié)構(gòu)體進(jìn)一步具備了物理型防垢抑藻功能；（3)本發(fā)明借助固化成 型后硅藻殼體的多孔特性吸附減阻、防垢、抑藻型多功能混合溶液以備緩釋，進(jìn)一步從化學(xué) 角度強(qiáng)化了功能復(fù)合結(jié)構(gòu)的上述功能。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】 toon]圖1為本發(fā)明的基于真空蒸鍍的硅藻土基減阻防垢抑藻型功能復(fù)合結(jié)構(gòu)的制作 方法流程圖。
[0012] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的固化成型后硅藻土基結(jié)構(gòu)體的示意圖。
[0013] 圖3為圖2中硅藻土基結(jié)構(gòu)體上隨機(jī)區(qū)域A的放大視圖。
[0014] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的仿形加工有仿鯊魚(yú)減阻形貌的硅藻土基結(jié)構(gòu)體的示 意圖。
[0015] 圖5為對(duì)圖4中隨機(jī)區(qū)域B上仿鯊魚(yú)減阻形貌進(jìn)行剖切后的放大軸側(cè)視圖。
[0016] 圖6為對(duì)圖5中隨機(jī)區(qū)域C上仿鯊魚(yú)溝槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行剖切后的放大軸側(cè)視圖。
[0017] 圖7為本發(fā)明實(shí)施例提供的圖3中圓筒形硅藻殼體的縱剖面圖。
[0018] 圖8為圖7中硅藻殼體外表面真空蒸鍍防垢抑藻合金鍍層后的縱剖面圖。
[0019] 圖中：1、硅藻土基結(jié)構(gòu)體2、硅藻殼體3、仿生減阻形貌層4、仿鯊魚(yú)溝槽結(jié)構(gòu) 5、娃藻殼體微孔6、防垢抑藻合金鍍層。

【具體實(shí)施方式】
[0020] 為了使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié) 合附圖和具體實(shí)施例進(jìn)一步闡述本發(fā)明。
[0021] 擬按照?qǐng)D1所示流程制作表層具有仿鯊魚(yú)溝槽結(jié)構(gòu)的硅藻土基減阻防垢抑藻型 功能復(fù)合結(jié)構(gòu)。
[0022] 第一步：硅藻土原材料的殼體濾選及結(jié)構(gòu)固化成型 參照?qǐng)D2、圖3。首先，以市售硅藻土為原材料，室溫條件下將一定量的硅藻土原材料浸 入清水中超聲清洗30min，然后使用15 μ m的濾布過(guò)濾以濾除細(xì)碎硅藻殼體、浮塵及其他可 溶物，烘干后得到粒徑在15 μ m以上的硅藻殼體混合物；其次，將所制得的硅藻殼體混合物 置于一長(zhǎng)方體形狀的模具中，采用業(yè)已成熟的硅藻土燒結(jié)固化方法在一定工藝條件下將硅 藻殼體混合物固化成型，脫模后得到長(zhǎng)方體形狀的硅藻土基結(jié)構(gòu)體1。顯然，硅藻土基結(jié)構(gòu) 體1是由若干不規(guī)則排布的娃藻殼體2構(gòu)成的。
[0023] 第二步：仿生減阻結(jié)構(gòu)在硅藻土基結(jié)構(gòu)體表面的機(jī)械仿形加工成形 參照?qǐng)D4?圖6。首先，以常見(jiàn)高游速鯊魚(yú)品種短尾真鯊的表皮作為仿生減阻結(jié)構(gòu)的構(gòu) 形來(lái)源，在對(duì)短尾真鯊魚(yú)皮表面形貌進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)研的基礎(chǔ)上，借助一定的抽象、簡(jiǎn)化和放大 手段構(gòu)建出具有U形截面輪廓的仿鯊魚(yú)溝槽結(jié)構(gòu)模型；其次，以所構(gòu)建的仿鯊魚(yú)溝槽結(jié)構(gòu) 模型為依據(jù)，采用業(yè)已成熟的機(jī)械仿形加工方法在第一步制得的硅藻土基結(jié)構(gòu)體1的上表 面上成形出具有一定加工精度的仿生減阻形貌層3,且仿生減阻形貌層3由若干順流向的U 形仿鯊魚(yú)溝槽結(jié)構(gòu)4構(gòu)成，該溝槽結(jié)構(gòu)起著一定的形貌減阻效能，且仿鯊魚(yú)溝槽結(jié)構(gòu)4上無(wú) 序排布著若干娃藻殼體2。
[0024] 第三步：防垢抑藻合金鍍層在仿生減阻結(jié)構(gòu)外表面的真空蒸鍍沉積 參照?qǐng)D6?圖8。首先，將第二步加工有仿鯊魚(yú)溝槽結(jié)構(gòu)4的硅藻土基結(jié)構(gòu)體1用去離 子水反復(fù)沖洗6次然后烘干，以去除機(jī)械加工過(guò)程中產(chǎn)生的硅藻殼體碎片及粉塵；其次，以 銅鋅系合金CuZnNi作為防垢抑藻合金，在確保不阻塞絕大多數(shù)硅藻殼體微孔5的前提下， 采用針對(duì)Cu、Zn、Ni的多源共鍍型真空蒸鍍方法在清洗后的硅藻土基結(jié)構(gòu)體1上有仿生減 阻形貌層3的一面沉積厚度為70nm的防垢抑藻合金鍍層6,為保證CuZnNi合金的防垢抑 藻效能，可確保合金元素 Cu、Zn、Ni的重量百分比含量分別為46%、25%和29% ;最后，在 500°C下(該溫度尚不致熔化二氧化硅質(zhì)的硅藻殼體多孔結(jié)構(gòu))對(duì)所制得的CuZnNi防垢抑藻 合金鍍層進(jìn)行晶化熱處理，使其由非晶態(tài)合金變?yōu)榫B(tài)合金，這有助于其持續(xù)發(fā)揮防垢抑 藻效能。
[0025] 需要說(shuō)明的是，盡管仿鯊魚(yú)溝槽結(jié)構(gòu)4外表面上硅藻殼體2呈無(wú)序狀堆砌排布，但 所有這些暴露在外的硅藻殼體2均將被蒸鍍一層防垢抑藻合金鍍層6。
[0026] 第四步：減阻劑、防垢劑和抑藻劑在功能復(fù)合結(jié)構(gòu)體內(nèi)部的吸附 首先，以市售常用減阻劑聚丙烯酰胺、防垢劑硅磷晶、抑藻劑青蒿醚作為強(qiáng)化功能復(fù)合 結(jié)構(gòu)體減阻、防垢、抑藻功能的流體介質(zhì)，分別配置質(zhì)量百分比濃度為3%的聚丙烯酰胺減 阻液、質(zhì)量百分比濃度為〇. 5%的硅磷晶防垢液和質(zhì)量百分比濃度為1%。的青蒿醚抑藻液并 充分混合在一起，制得多功能混合溶液；其次，將第三步制得的功能復(fù)合結(jié)構(gòu)體浸入所配置 的多功能混合溶液中，真空除氣20min后再靜置120min，以保證硅藻土基結(jié)構(gòu)體1內(nèi)部眾多 硅藻殼體空腔及微孔吸附足夠多的多功能混合溶液以備緩釋，最終制得兼具硅藻殼體固化 緩釋結(jié)構(gòu)、仿生減阻結(jié)構(gòu)和防垢抑藻合金鍍層的功能復(fù)合結(jié)構(gòu)體。
[〇〇27] 以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù) 人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說(shuō)明書(shū)中描述的只是說(shuō)明本 發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變 化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書(shū)及其 等效物界定。
【權(quán)利要求】
1. 基于真空蒸鍍的硅藻土基減阻防垢抑藻型功能復(fù)合結(jié)構(gòu)的制作方法，包括： 第一步：硅藻土原材料的殼體濾選及結(jié)構(gòu)固化成型 (A) 以市售硅藻土為原材料，室溫條件下將一定量的硅藻土原材料浸入清水中超聲清 洗30min，然后使用15 μ m的濾布過(guò)濾以濾除細(xì)碎硅藻殼體、浮塵及其他可溶物，烘干后得 到粒徑在15 μ m以上的娃藻殼體混合物； (B) 將經(jīng)(A)步驟制得的硅藻殼體混合物置于一定形狀的模具中，采用燒結(jié)固化方法在 一定工藝條件下將娃藻殼體混合物固化成型，脫模后得到一定形狀的娃藻土基結(jié)構(gòu)體； 其特征在于，還包括如下步驟： 第二步：仿生減阻結(jié)構(gòu)在硅藻土基結(jié)構(gòu)體表面的機(jī)械仿形加工成形 (A) 以某種高游速水下生物的表皮作為仿生減阻結(jié)構(gòu)的構(gòu)形來(lái)源，借助一定的抽象、簡(jiǎn) 化和放大手段構(gòu)建出仿生減阻結(jié)構(gòu)的數(shù)字化模型； (B) 以經(jīng)(A)步驟構(gòu)建的仿生減阻結(jié)構(gòu)數(shù)字化模型為依據(jù)，采用機(jī)械仿形加工方法在第 一步制得的硅藻土基結(jié)構(gòu)體某一表面上成形出具有一定加工精度的仿生減阻結(jié)構(gòu)； 第三步：防垢抑藻合金鍍層在仿生減阻結(jié)構(gòu)外表面的真空蒸鍍沉積 (A) 將第二步加工有仿生減阻結(jié)構(gòu)的硅藻土基結(jié)構(gòu)體用去離子水反復(fù)沖洗4?6次然 后烘干，以去除機(jī)械仿形加工過(guò)程中產(chǎn)生的硅藻殼體碎片及粉塵； (B) 以銅鋅系合金CuZnX作為防垢抑藻合金，在確保不阻塞絕大多數(shù)硅藻殼體微孔的 前提下，采用多源共鍍型真空蒸鍍方法在經(jīng)(A)步驟清洗后的仿生減阻結(jié)構(gòu)外表面上沉積 一定厚度、一定組分比的防垢抑藻合金鍍層； (C) 在不致熔化二氧化硅質(zhì)硅藻殼體固化結(jié)構(gòu)的前提下，采用一定的加熱溫度對(duì)經(jīng)（B) 步驟制得的防垢抑藻合金鍍層進(jìn)行晶化熱處理，使其由非晶態(tài)合金變?yōu)榫B(tài)合金； 第四步：減阻劑、防垢劑和抑藻劑在功能復(fù)合結(jié)構(gòu)體內(nèi)部的吸附 (A) 以市售常用減阻劑、防垢劑、抑藻劑作為強(qiáng)化功能復(fù)合結(jié)構(gòu)體減阻、防垢、抑藻功能 的流體介質(zhì)，分別配置適當(dāng)濃度的減阻液、防垢液、抑藻液并充分混合在一起，制得多功能 混合溶液； (B) 將第三步制得的功能復(fù)合結(jié)構(gòu)體浸入經(jīng)(A)步驟配置的多功能混合溶液中，真空除 氣15min?30min后再靜置60min?120min，以保證娃藻土基結(jié)構(gòu)體內(nèi)部眾多娃藻殼體空 腔及微孔吸附足夠多的多功能混合溶液以備緩釋，最終制得兼具硅藻殼體固化緩釋結(jié)構(gòu)、 仿生減阻結(jié)構(gòu)和防垢抑藻合金鍍層的功能復(fù)合結(jié)構(gòu)體。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于真空蒸鍍的硅藻土基減阻防垢抑藻型功能復(fù)合結(jié)構(gòu)的 制作方法，其特征在于：所述高游速水下生物是指鯊魚(yú)、金槍魚(yú)、旗魚(yú)、劍魚(yú)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于真空蒸鍍的硅藻土基減阻防垢抑藻型功能復(fù)合結(jié)構(gòu)的 制作方法，其特征在于：所述防垢抑藻合金鍍層的厚度是50nm?80nm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于真空蒸鍍的硅藻土基減阻防垢抑藻型功能復(fù)合結(jié)構(gòu)的 制作方法，其特征在于：所述防垢抑藻合金鍍層中合金元素 Cu的重量百分比含量為46%? 56 %，合金元素 Zn的重量百分比含量為25%?35%。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于真空蒸鍍的硅藻土基減阻防垢抑藻型功能復(fù)合結(jié)構(gòu)的 制作方法，其特征在于：所述銅鋅系合金CuZnX中合金元素 X是Al、Ni、Cr、Ti中的一種或 幾種金屬的組合，其重量百分比含量為9?29%。
【文檔編號(hào)】C04B41/69GK104086154SQ201410282289
【公開(kāi)日】2014年10月8日 申請(qǐng)日期:2014年6月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月23日
【發(fā)明者】韓鑫 申請(qǐng)人:山東理工大學(xué)