本發(fā)明涉及一種利用硅藻土酸蝕成型反應(yīng)對生物表面形貌進(jìn)行逼真復(fù)制以制作仿生復(fù)合功能結(jié)構(gòu)體的工藝方法，更特別地說，是指一種利用硅藻土酸蝕制作仿生復(fù)合功能結(jié)構(gòu)體的工藝。
背景技術(shù)：
許多生物體在長期的進(jìn)化過程中逐漸形成了具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)和功能特性的生物復(fù)合結(jié)構(gòu)。例如，荷葉表面除了具有微米尺度的乳突狀生物非光滑形貌外，還具有納米尺度的生物蠟分泌結(jié)構(gòu)，二者的疊加作用使得荷葉具備可防止水滴和污垢附著的超疏水性生物脫附功能，稱為“荷葉效應(yīng)”；鯊魚表皮除了具有微米尺度的溝槽狀生物非光滑形貌外，其鱗下還具有納米尺度的減阻液分泌結(jié)構(gòu)，二者的耦合作用使得鯊魚皮具備出色的形貌與界面復(fù)合減阻功能，稱為“鯊魚皮效應(yīng)”。對上述生物復(fù)合功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿生制造以制備各種仿生復(fù)合功能結(jié)構(gòu)體，對于提高人造產(chǎn)品性能、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展具有重要意義。
硅藻土是古代活體硅藻的生物殘骸，其主要成分是二氧化硅，其顆粒形狀復(fù)雜多樣、尺度為微米級，顆粒本身為輕質(zhì)多孔結(jié)構(gòu)，納米級孔隙結(jié)構(gòu)貫通顆粒整體。鑒于硅藻土具有上述材質(zhì)和結(jié)構(gòu)特性，這使得其具有大比表面積、高孔隙度、高吸附性、高緩釋性、低密度、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)?？紤]到硅藻土的二氧化硅成分，其顆粒在氫氟酸酸蝕作用下彼此間產(chǎn)生鍵合，進(jìn)而可以在模具約束下固化成型為復(fù)雜、輕質(zhì)、多孔結(jié)構(gòu)體，這為制備兼具表面仿生非光滑形貌與內(nèi)部吸附緩釋通道的仿生復(fù)合功能結(jié)構(gòu)體提供了一種有效途徑。
當(dāng)前，有關(guān)借助硅藻土與氫氟酸進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)制備功能結(jié)構(gòu)特別是仿生復(fù)合功能結(jié)構(gòu)體的方法已有報道。例如專利號為ZL201010033700.2的中國專利提供了一種硅藻殼體或硅藻土與玻璃的鍵合方法，專利號為ZL201110261728.6、ZL201110261667.3、ZL201110261739.4、ZL201110261738.X、ZL201110261678.1的中國專利介紹了多種借助硅藻土與氫氟酸進(jìn)行酸蝕或熱壓鍵合反應(yīng)制備仿鯊魚復(fù)合減阻結(jié)構(gòu)的工藝方法。但上述專利所提供的硅藻土酸蝕工藝存在如下不足：（1）所需反應(yīng)溫度較高，多在400℃以上；（2）外來壓力始終作用于酸蝕反應(yīng)全程，這極易對反應(yīng)后期最為關(guān)鍵的硅藻殼體間鍵合過程造成應(yīng)力破壞；（3）缺乏必要的硅藻土常溫、低濃度預(yù)酸蝕過程，硅藻土中非定型二氧化硅無法達(dá)到良好鍵合狀態(tài)；（4）酸蝕后部分硅藻土顆粒間鍵合不完全，部分硅藻土顆粒處于離散狀態(tài)，致使制成品總體機(jī)械強(qiáng)度不高，嚴(yán)重制約其實(shí)用效果和預(yù)期壽命。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于，提供一種利用硅藻土酸蝕制作仿生復(fù)合功能結(jié)構(gòu)體的工藝，以解決上述技術(shù)問題。該工藝經(jīng)過硅藻土深度提純處理、硅藻土氫氟酸常溫預(yù)酸蝕、硅藻土氫氟酸超聲有壓熱酸蝕、硅藻土氫氟酸真空無壓熱酸蝕、聚乙烯醇霧化浸潤強(qiáng)化結(jié)構(gòu)體等流程，便可制作出具有一定實(shí)用強(qiáng)度的仿生復(fù)合功能結(jié)構(gòu)體。
本發(fā)明所解決的技術(shù)問題可以采用以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：利用硅藻土酸蝕制作仿生復(fù)合功能結(jié)構(gòu)體的工藝，包括有下列步驟。
第一步：硅藻土深度提純處理
（A）將市售高純硅藻土置于玻璃容器內(nèi)，按照每1g硅藻土添加25ml～30ml去離子水的用量加入去離子水，在功率100W～150W、工作頻率25KHz～40KHz的條件下超聲清洗20min～30min后，使用孔徑為5μm～20μm的濾布進(jìn)行分離，過濾得到第一上層物；
（B）將第一上層物置于玻璃容器內(nèi)，按照每1g第一上層物添加30ml～40ml硫酸的用量加入質(zhì)量百分比濃度為60%～75%的硫酸，在功率100W～150W、工作頻率25KHz～40KHz的條件下超聲清洗20min～30min后，使用孔徑為5μm～20μm的濾布進(jìn)行分離，過濾得到第二上層物；
（C）將第二上層物置于玻璃容器內(nèi)，按照每1g第二上層物添加50ml～60ml 去離子水的用量加入去離子水，在功率150W～200W、工作頻率25KHz～40KHz的條件下超聲清洗20min～30min后，使用孔徑為5μm的濾布進(jìn)行分離，過濾得到第三上層物；步驟（C）為去除雜質(zhì)和硫酸處理，重復(fù)進(jìn)行此操作的次數(shù)為2～3次；
（D）將第三上層物在80℃～100℃溫度下干燥5h～7h，制得深度提純硅藻土。
第二步：硅藻土氫氟酸常溫預(yù)酸蝕
（A）將經(jīng)第一步深度提純處理制得的深度提純硅藻土置于塑料容器內(nèi)，加入質(zhì)量百分比濃度為5%～10%的氫氟酸并充分?jǐn)嚢杌旌希o置40min～50min后去掉上層清液，得到硅藻土質(zhì)量百分比為80%～90%的第一混合物；
（B）將第一混合物在60℃～75℃溫度下干燥3h～5h，制得含水率為5%～10%的第二混合物。
第三步：硅藻土氫氟酸超聲有壓熱酸蝕
（A）將經(jīng)第二步常溫預(yù)酸蝕制得的第二混合物置于塑料容器內(nèi)，按照每1g第二混合物添加5ml～10ml 氫氟酸的用量加入質(zhì)量百分比濃度為40%的氫氟酸并充分?jǐn)嚢杌旌希频玫谝环磻?yīng)物；
（B）將第一反應(yīng)物攤平放置于溫度保持在60℃～90℃、底部安裝有仿生表面陰模板的壓力容器內(nèi)，使第一反應(yīng)物與仿生表面陰模板上有陰模結(jié)構(gòu)的一面充分接觸，保持第一反應(yīng)物的初始厚度為10㎜～20㎜，按照每1cm2單位面積上施加50N～100N壓力的計算方法給第一反應(yīng)物施加恒定壓力1h～2h，同時在功率100W～150W、頻率25KHz～30KHz的條件下給第一反應(yīng)物施加超聲振動25min～30min。
第四步：硅藻土氫氟酸真空無壓熱酸蝕
（A）卸掉壓力容器內(nèi)的壓力和超聲振動，將經(jīng)第三步超聲有壓熱酸蝕后的第一反應(yīng)物連同與其緊密接觸的仿生表面陰模板緩慢冷卻至室溫；
（B）將冷卻后的第一反應(yīng)物連同與其緊密接觸的仿生表面陰模板從壓力容器內(nèi)整體取出并置于真空干燥箱內(nèi)，然后在1×10-1Pa～1×10-3Pa真空條件下保持60℃～90℃恒溫加熱3h～5h。
第五步：聚乙烯醇霧化浸潤強(qiáng)化結(jié)構(gòu)體
（A）在65℃～70℃恒溫水浴下配制聚乙烯醇飽和水溶液，進(jìn)而將聚乙烯醇飽和水溶液霧化，制得聚乙烯醇彌霧；
（B）將經(jīng)第四步真空無壓熱酸蝕后的第一反應(yīng)物連同與其緊密接觸的仿生表面陰模板整體置于溫度保持在70℃～80℃的密閉容器內(nèi)，將步驟（A）制得的聚乙烯醇彌霧持續(xù)通入到該密閉容器中，對第一反應(yīng)物浸潤3h～5h；
（C）將第一反應(yīng)物連同與其緊密接觸的仿生表面陰模板整體置于干燥箱內(nèi)，在80℃～90℃條件下恒溫干燥3h～5h，然后冷卻至室溫后將第一反應(yīng)物與仿生表面陰模板剝離，剝離后的第一反應(yīng)物便是強(qiáng)化后的仿生復(fù)合功能結(jié)構(gòu)體。
所述仿生表面陰模板是仿魚體表面陰模板、仿昆蟲表面陰模板、仿植物表面陰模板中的一種。
所制得的強(qiáng)化后的仿生復(fù)合功能結(jié)構(gòu)體既在結(jié)構(gòu)體表層保有仿生表面陽模微結(jié)構(gòu)，又在結(jié)構(gòu)體內(nèi)部保有酸蝕成型且有一定機(jī)械強(qiáng)度的硅藻土緩釋微滲孔隙結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）聚乙烯醇霧化浸潤過程的施加，對酸蝕后部分鍵合不完全或處于離散狀態(tài)的硅藻土顆粒起到了強(qiáng)化粘接的作用，有利于仿生復(fù)合功能結(jié)構(gòu)體制成品總體機(jī)械強(qiáng)度的提高，進(jìn)而促進(jìn)其實(shí)用效果和預(yù)期壽命；（2）所需反應(yīng)溫度較低，多在100℃以下，工藝可操作性有效提高；（3）外來壓力不是始終作用于酸蝕反應(yīng)全程，這避免了反應(yīng)后期對硅藻殼體間鍵合過程的應(yīng)力破壞；（4）硅藻土常溫、低濃度氫氟酸預(yù)酸蝕過程的施加，有利于硅藻土中非定型二氧化硅達(dá)到良好鍵合狀態(tài)。
附圖說明
圖1是利用硅藻土酸蝕制作仿生復(fù)合功能結(jié)構(gòu)體的工藝流程框圖。
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
參見圖1所示，本發(fā)明是一種利用硅藻土酸蝕制作仿生復(fù)合功能結(jié)構(gòu)體的工藝，包括有下列工藝步驟。
第一步：硅藻土深度提純處理
（A）將市售高純硅藻土置于玻璃容器內(nèi)，按照每1g硅藻土添加25ml去離子水的用量加入去離子水，在功率150W、工作頻率40KHz的條件下超聲清洗30min后，使用孔徑為5μm的濾布進(jìn)行分離，過濾得到第一上層物；
（B）將第一上層物置于玻璃容器內(nèi)，按照每1g第一上層物添加30ml硫酸的用量加入質(zhì)量百分比濃度為60%的硫酸，在功率100W、工作頻率25KHz的條件下超聲清洗30min后，使用孔徑為5μm的濾布進(jìn)行分離，過濾得到第二上層物；
（C）將第二上層物置于玻璃容器內(nèi)，按照每1g第二上層物添加50ml去離子水的用量加入去離子水，在功率150W、工作頻率25KHz的條件下超聲清洗30min后，使用孔徑為5μm的濾布進(jìn)行分離，過濾得到第三上層物；為去除雜質(zhì)和硫酸處理，重復(fù)進(jìn)行步驟（C）3次；
（D）將第三上層物在80℃溫度下干燥7h，制得深度提純硅藻土。
第二步：硅藻土氫氟酸常溫預(yù)酸蝕
（A）將經(jīng)第一步深度提純處理制得的深度提純硅藻土置于塑料容器內(nèi)，加入質(zhì)量百分比濃度為10%的氫氟酸并充分?jǐn)嚢杌旌?，靜置40min后去掉上層清液，得到硅藻土質(zhì)量百分比為80%的第一混合物；
（B）將第一混合物在60℃溫度下干燥5h，制得含水率為5%的第二混合物。
第三步：硅藻土氫氟酸超聲有壓熱酸蝕
（A）將經(jīng)第二步常溫預(yù)酸蝕制得的第二混合物置于塑料容器內(nèi)，按照每1g第二混合物添加10ml 氫氟酸的用量加入質(zhì)量百分比濃度為40%的氫氟酸并充分?jǐn)嚢杌旌希频玫谝环磻?yīng)物；
（B）將第一反應(yīng)物攤平放置于溫度保持在80℃、底部安裝有仿鯊魚表面陰模板的壓力容器內(nèi)，使第一反應(yīng)物與仿鯊魚表面陰模板上有仿鯊魚鱗片陰模結(jié)構(gòu)的一面充分接觸，保持第一反應(yīng)物的初始厚度為20㎜，按照每1cm2單位面積上施加100N壓力的計算方法給第一反應(yīng)物施加恒定壓力2h，同時在功率100W、頻率25KHz的條件下給第一反應(yīng)物施加超聲振動25min。
第四步：硅藻土氫氟酸真空無壓熱酸蝕
（A）卸掉壓力容器內(nèi)的壓力和超聲振動，將經(jīng)第三步超聲有壓熱酸蝕后的第一反應(yīng)物連同與其緊密接觸的仿鯊魚表面陰模板緩慢冷卻至室溫；
（B）將冷卻后的第一反應(yīng)物連同與其緊密接觸的仿鯊魚表面陰模板從壓力容器內(nèi)整體取出并置于真空干燥箱內(nèi)，然后在1×10-1Pa真空條件下保持70℃恒溫加熱4h。
第五步：聚乙烯醇霧化浸潤強(qiáng)化結(jié)構(gòu)體
（A）在65℃恒溫水浴下配制聚乙烯醇飽和水溶液，進(jìn)而將聚乙烯醇飽和水溶液霧化，制得聚乙烯醇彌霧；
（B）將經(jīng)第四步真空無壓熱酸蝕后的第一反應(yīng)物連同與其緊密接觸的仿鯊魚表面陰模板整體置于溫度保持在70℃的密閉容器內(nèi)，將步驟（A）制得的聚乙烯醇彌霧持續(xù)通入到該密閉容器中，對第一反應(yīng)物浸潤5h；
（C）將第一反應(yīng)物連同與其緊密接觸的仿鯊魚表面陰模板整體置于干燥箱內(nèi)，在80℃條件下恒溫干燥5h，然后冷卻至室溫后將第一反應(yīng)物與仿鯊魚表面陰模板剝離，剝離后的第一反應(yīng)物便是強(qiáng)化后的仿鯊魚復(fù)合功能結(jié)構(gòu)體。
所述仿鯊魚復(fù)合功能結(jié)構(gòu)體既在結(jié)構(gòu)體表層保有仿鯊魚鱗片陽模微結(jié)構(gòu)，又在結(jié)構(gòu)體內(nèi)部保有酸蝕成型且有一定機(jī)械強(qiáng)度的硅藻土緩釋微滲孔隙結(jié)構(gòu)。
最后應(yīng)當(dāng)說明的是：以上實(shí)施例僅用以顯示和描述本發(fā)明的基本原理、主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種修改或者等同替換，而未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。