CN102408248B - 一种缓释减阻表面的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及仿生技术领域，具体涉及一种减阻表面的制作方法。一种缓释减阻表面的制作方法，包括硅藻土固化工艺、吸附工艺，硅藻土固化工艺包括如下步骤：1)硅藻土预处理。2)硅藻土酸蚀处理。3)硅藻土热压键合固化。吸附工艺包括如下步骤：1)将硅藻土固化表面浸入去离子水中，超声清洗，用N2吹干。2)制备减阻剂水溶液。3)将干燥后的硅藻土固化表面浸入减阻剂水溶液，置于真空干燥箱内进行脱气处理，取出，制得缓释减阻表面。由于采用上述技术方案，本发明所制作的基于硅藻土的仿生缓释减阻表面具有提高减阻剂利用效能、减少减阻剂用量、降低使用和维护成本等优势。

Description

一种缓释减阻表面的制作方法

技术领域

本发明涉及仿生技术领域，具体涉及一种减阻表面的制作方法。

背景技术

利用减阻剂减阻是一种高效的减阻方法，广泛应用于水下航行器表面或长距离输送管道（输油、气、水等）内壁面的流体减阻。常用的减阻剂主要有聚丙烯酰胺（PAM）和水性环氧树脂等，尽管减阻效能高，但价格通常较为昂贵。利用减阻剂减阻与利用沟槽等结构型减阻方法相比，具有减阻效率高（减阻效率通常在15%以上）、便于实施等优势。该减阻方法的实施目前主要采用在航行器表面或长输管道内壁面直接释放或涂覆减阻剂的方式，往往使得大量的减阻剂不能有效作用于湍流有效区，存在减阻剂消耗快、用量大、浪费严重、需不断补充等不足，因而使用和维护成本相对较高。

另外，硅藻是最重要的浮游类微生物之一，种类多、数量大、分布极其广泛。硅藻不仅形态多样，常见的有球形、盘形、圆筒形、杆形、舟形等，而且有着特殊的材质和结构。在材质上，硅藻壳体的主要化学成份是二氧化硅；在结构上，单体硅藻大小在几微米到几十微米间，由上、下壳面构成，壳体内部拥有空腔结构，壳体表面布满纳米级微孔。

硅藻土是硅藻的古代残骸沉积物生成的硅质沉积岩，主要由古代硅藻及其它微生物(放射虫、海绵等)的硅质遗骸组成，主要化学成份是二氧化硅。硅藻土在自然界中作为矿产大量存在，因而来源广泛、价格低廉。由于硅藻土具有细腻、质轻、孔隙度大、吸附性和渗透性强、化学性质稳定、耐磨、耐热、有一定强度等特点，是一种具有重要应用价值的材料。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种缓释减阻表面的制作方法，以解决上述技术问题。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种缓释减阻表面的制作方法，其特征在于，包括用于制作硅藻土固化表面的硅藻土固化工艺，还包括用于在硅藻土固化表面吸附减阻剂的吸附工艺，所述硅藻土固化工艺包括如下步骤：

1）硅藻土预处理，得到硅藻土混合物；

2）硅藻土酸蚀处理：室温条件下，将1）中得到的硅藻土混合物加入质量百分比浓度为10%～20%的HF溶液中酸蚀处理10min～20min，然后使用5μm～20μm的滤布进行过滤，得到第五硅藻土混合物；

3）硅藻土热压键合固化：

（A）将2）得的第五硅藻土混合物均匀放入热压模具内，然后盖上均压盖板，并将热压模具置于热压键合固化装置内的电加热基座上；

（B）将电加热基座升温至415℃～650℃，并在此温度范围内保持恒温；

（C）在均压盖板上施加压力500～700kPa进行热压键合5h～10h，脱模后即得到硅藻土固化表面；

所述吸附工艺包括如下步骤：

1）室温条件下将采用硅藻土固化工艺制得的硅藻土固化表面浸入去离子水中，在功率为800W~1200W、工作频率为30KHz~50KHz的条件下超声清洗10min~20min，然后用N₂吹干；

2）制备减阻剂水溶液；

3）将干燥后的硅藻土固化表面完全浸入减阻剂水溶液，然后置于真空干燥箱内进行脱气处理10min~20min，然后取出，便制得缓释减阻表面。

本发明采用上述工艺的硅藻土通过酸蚀和热压键合固化的方式将硅藻土固化成多孔表面，与传统的采用烧结的方式固化硅藻土相比，其固化强度在15MPa～25MPa，孔隙度在50%～70%。其固化后能保留多孔结构，所制得的硅藻土固化表面具有较大的孔体积、较强的吸附性和缓释性。本发明利用硅藻土固化表面来吸附和缓释减阻剂，不仅能有效提高减阻剂的附着力和容持量，还能达到缓慢释放减阻剂以使其全部作用于湍流有效区的目的，因而具有提高减阻剂利用效能、减少减阻剂用量、降低使用和维护成本等优势。

所述硅藻土固化工艺中，步骤3）的热压模具和均压盖板优选采用铅制成。根据要制作的硅藻土固化表面的形状不同，如平板状或圆管状，可根据需要任意更换该热压模具。

为便于脱模，所述硅藻土固化工艺中，步骤3）事先在热压模具和均压盖板内表面涂敷一层质量百分比浓度为80%的氮化硼水溶液。

所述吸附工艺中，步骤2）采用的减阻剂水溶液为聚丙烯酰胺（PAM）减阻剂水溶液。

PAM减阻剂水溶液的制备方法如下：室温条件下，在去离子水中，边搅拌边慢慢加入聚丙烯酰胺（PAM）粉体颗粒，配制质量百分比浓度为2%的PAM减阻剂水溶液。

所述硅藻土固化工艺中1）硅藻土预处理，可以采用常用的预处理方法，也可以采用如下硅藻土预处理步骤：

（A）室温条件下，将硅藻土在质量百分比浓度为1.5%～3.5%的HF溶液中浸泡处理3min~5min，然后使用5μm~20μm的滤布进行过滤，得到第一硅藻土混合物；

（B）将所述第一硅藻土混合物在温度为80℃~90℃条件下，在NH₃·H₂O、H₂O₂、H₂O混合液（1：2：7）中浸泡处理10min~20min，然后使用5μm~20μm的滤布进行过滤，得到第二硅藻土混合物；

（C）将所述第二硅藻土混合物在室温条件下加入去离子水，在功率为800W~1200W、工作频率为30KHz~50KHz的条件下，超声清洗10min~20min，然后使用5μm~20μm的滤布进行过滤，得到第三硅藻土混合物；

（D）将所述第三硅藻土混合物在室温条件下用N₂吹干，得到第四硅藻土混合物。

有益效果：由于采用上述技术方案，本发明采用酸蚀和热压键合后的硅藻土固化表面，其固化强度在15MPa～25MPa，孔隙度在50%～70%。采用上述硅藻土固化表面制作的仿生缓释减阻表面，减阻率在18％～30％。具有提高减阻剂利用效能、减少减阻剂用量、降低使用和维护成本等优势。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明硅藻土热压键合固化的结构示意图；

图3为本发明酸蚀热压后的硅藻土固化表面结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示进一步阐述本发明。

参照图1，一种缓释减阻表面的制作方法，包括硅藻土固化工艺1，还包括吸附工艺2。

硅藻土固化工艺1包括如下步骤：

第一步，硅藻土预处理，得到硅藻土混合物。硅藻土预处理工艺可以采用常用的预处理方法，也可以采用如下硅藻土预处理步骤：（A）室温条件下，将硅藻土在质量百分比浓度为1.5%～3.5%的HF溶液中浸泡处理3min~5min，然后使用5μm~20μm的滤布进行过滤，得到第一硅藻土混合物。（B）将第一硅藻土混合物在温度为80℃~90℃条件下，在NH₃·H₂O、H₂O₂、H₂O混合液（1：2：7）中浸泡处理10min~20min，然后使用5μm~20μm的滤布进行过滤，得到第二硅藻土混合物。（C）将第二硅藻土混合物在室温条件下加入去离子水，在功率为800W~1200W、工作频率为30KHz~50KHz的条件下，超声清洗10min~20min，然后使用5μm~20μm的滤布进行过滤，得到第三硅藻土混合物。（D）将第三硅藻土混合物在室温条件下用N₂吹干，得到第四硅藻土混合物。

第二步，硅藻土酸蚀处理：室温条件下，将第一步中得到的硅藻土混合物加入质量百分比浓度为10%～20%的HF溶液中酸蚀处理10min～20min，然后使用5μm～20μm的滤布进行过滤，得到第五硅藻土混合物。

第三步，硅藻土热压键合固化：（A）将第二步得的第五硅藻土混合物均匀放入热压模具31内，然后盖上均压盖板32，并将热压模具31置于热压键合固化装置内的电加热基座33上。参照图2，热压模具31和均压盖板32优选采用铅制成。根据要制作的硅藻土固化表面的形状不同，如平板状或圆管状，可根据需要任意更换该热压模具31。为便于脱模，事先在热压模具31和均压盖板32内表面均匀涂敷薄薄一层质量百分比浓度为80%的氮化硼水溶液。（B）将电加热基座33升温至415℃～650℃，并在此温度范围内保持恒温。（C）在均压盖板上施加压力500～700kPa进行热压键合5h～10h，脱模后即得到硅藻土固化表面。

吸附工艺2包括如下步骤：

第四步：室温条件下将采用硅藻土固化工艺1制得的硅藻土固化表面浸入去离子水中，在功率为800W~1200W、工作频率为30KHz~50KHz的条件下超声清洗10min~20min，然后用N₂吹干。

第五步：制备减阻剂水溶液。减阻剂水溶液为聚丙烯酰胺（PAM）减阻剂水溶液。PAM减阻剂水溶液的制备方法如下：室温条件下，在去离子水中，边搅拌边慢慢加入聚丙烯酰胺（PAM）粉体颗粒，配制质量百分比浓度为2%的PAM减阻剂水溶液。

第六步：将干燥后的硅藻土固化表面完全浸入减阻剂水溶液，然后置于真空干燥箱内进行脱气处理10min~20min，然后取出，便制得缓释减阻表面。

本发明采用上述工艺的硅藻土通过酸蚀和热压键合固化的方式将硅藻土固化成多孔表面，与传统的采用烧结的方式固化硅藻土相比，其固化强度在15MPa～25MPa，孔隙度在50%～70%。其固化后能保留多孔结构，所制得的硅藻土固化表面具有较大的孔体积、较强的吸附性和缓释性。本发明利用硅藻土固化表面来吸附和缓释减阻剂，不仅能有效提高减阻剂的附着力和容持量，还能达到缓慢释放减阻剂以使其全部作用于湍流有效区的目的，因而具有提高减阻剂利用效能、减少减阻剂用量、降低使用和维护成本等优势。

参照图3，本发明采用上述工艺的酸蚀和热压键合固化后的硅藻土固化表面在显微镜下的结构示意图。本发明制得的缓释减阻表面可以用于需要减阻的场所，比如设置在输送管道内壁上、水下航行器外表面。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种缓释减阻表面的制作方法，其特征在于，包括用于制作硅藻土固化表面的硅藻土固化工艺，还包括用于在硅藻土固化表面吸附减阻剂的吸附工艺，所述硅藻土固化工艺包括如下步骤：

1）硅藻土预处理，得到硅藻土混合物；

2）硅藻土酸蚀处理：室温条件下，将1）中得到的硅藻土混合物加入质量百分比浓度为10%～20%的HF溶液中酸蚀处理10min～20min，然后使用5μm～20μm的滤布进行过滤，得到第五硅藻土混合物；

3）硅藻土热压键合固化：

（A）将2）得的第五硅藻土混合物均匀放入热压模具内，然后盖上均压盖板，并将热压模具置于热压键合固化装置内的电加热基座上；

（B）将电加热基座升温至415℃～650℃，并在此温度范围内保持恒温；

（C）在均压盖板上施加压力500～700kPa进行热压键合5h～10h，脱模后即得到硅藻土固化表面；

所述吸附工艺包括如下步骤：

1）室温条件下将采用硅藻土固化工艺制得的硅藻土固化表面浸入去离子水中，在功率为800W~1200W、工作频率为30KHz~50KHz的条件下超声清洗10min~20min，然后用N₂吹干；

2）制备减阻剂水溶液；

3）将干燥后的硅藻土固化表面浸入减阻剂水溶液，然后置于真空干燥箱内进行脱气处理10min~20min，然后取出，便制得缓释减阻表面。

2.根据权利要求1所述的一种缓释减阻表面的制作方法，其特征在于：所述硅藻土固化工艺中，步骤3）的热压模具和均压盖板均采用铅制成。

3.根据权利要求2所述的一种缓释减阻表面的制作方法，其特征在于：为便于脱模，所述硅藻土固化工艺中，步骤3）事先在热压模具和均压盖板内表面涂敷一层质量百分比浓度为80%的氮化硼水溶液。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种缓释减阻表面的制作方法，其特征在于：所述吸附工艺中，步骤2）采用的减阻剂水溶液为聚丙烯酰胺减阻剂水溶液。

5.根据权利要求4所述的一种缓释减阻表面的制作方法，其特征在于：聚丙烯酰胺减阻剂水溶液的制备方法如下：室温条件下，在去离子水中，边搅拌边慢慢加入聚丙烯酰胺粉体颗粒，配制质量百分比浓度为2%的聚丙烯酰胺减阻剂水溶液。

6.根据权利要求1所述的一种缓释减阻表面的制作方法，其特征在于：所述硅藻土固化工艺中1）硅藻土预处理，采用如下硅藻土预处理步骤：

（A）室温条件下，将硅藻土在质量百分比浓度为1.5%～3.5%的HF溶液中浸泡处理3min~5min，然后使用5μm~20μm的滤布进行过滤，得到第一硅藻土混合物；

（B）将所述第一硅藻土混合物在温度为80℃~90℃条件下，在NH₃·H₂O、H₂O₂、H₂O混合液中浸泡处理10min~20min，然后使用5μm~20μm的滤布进行过滤，得到第二硅藻土混合物；

（C）将所述第二硅藻土混合物在室温条件下加入去离子水，在功率为800W~1200W、工作频率为30KHz~50KHz的条件下，超声清洗10min~20min，然后使用5μm~20μm的滤布进行过滤，得到第三硅藻土混合物；

（D）将所述第三硅藻土混合物在室温条件下用N₂吹干，得到第四硅藻土混合物。

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