CN102424602B - 吸附有减阻剂的硅藻土复合减阻表面的制作方法 - Google Patents
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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。吸附有减阻剂的硅藻土复合减阻表面的制作方法，包括1)硅藻土预处理工艺。2)硅藻土滤筛工艺。3)硅藻土湿坯制作工艺。4)高逼真仿鲨鱼鳞片沟槽形貌复制成型。5)仿鲨鱼鳞片沟槽形貌约束下的硅藻土烧结固化直接成型。6)硅藻土固化表面吸附缓释减阻剂，制得吸附有减阻剂的硅藻土复合减阻表面。本发明在仿鲨鱼硅藻土复合减阻表面吸附减阻剂，不仅能够发挥仿鲨鱼鳞片沟槽的减阻功能，而且还能够同时发挥仿鲨鱼缓释自润滑粘液的减阻功能。
Description
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
鲨鱼是海洋中的游泳健将，其在水中的巡游速度约为5kph，在追捕猎物时可瞬时爆发到70kph。鲨鱼的高游速除了与其标准的流线型形体有关外，还与其特殊的微米级鳞片沟槽结构以及它体表分泌的粘液关系密切，两者的复合作用称为“鲨鱼皮效应”。当前，模仿鲨鱼表皮减阻机理、制造高逼真仿鲨鱼复合减阻表面已成为国内外研究的热点，在水下航行器和长输管道减阻领域具有重要的应用价值。
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，提供吸附有减阻剂的硅藻土复合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：
吸附有减阻剂的硅藻土复合减阻表面的制作方法，包括1)硅藻土预处理工艺，制得硅藻土混合物；2)硅藻土滤筛工艺，制得硅藻土混合物；3)硅藻土湿坯制作工艺，制得硅藻土湿坯，其特征在于，还包括如下步骤：
4)高逼真仿鲨鱼鳞片沟槽形貌复制成型：
(A)采用生物表皮复制模板的复制方法复制出金属材质为镍、厚度为2.5mm～3.5mm的镍质仿鲨鱼鳞片沟槽阴模板；
(B)将镍质仿鲨鱼鳞片沟槽阴模板在室温条件下放入去离子水中，在功率为800W～1200W、工作频率为30KHz～50KHz的条件下超声清洗10min～20min，然后烘干待用；
5)仿鲨鱼鳞片沟槽形貌约束下的硅藻土烧结固化直接成型：
(A)将4)制得的镍质仿鲨鱼鳞片沟槽阴模板的有鳞面朝上置于高温烧结炉内的烧结炉基座上，然后将3)制得的硅藻土湿坯倒扣在镍质仿鲨鱼鳞片沟槽阴模板的有鳞面上；
(B)在1050℃～1150℃温度范围内进行恒温烧结处理1.5h～2.5h，缓慢降至室温后进行脱模，即得到硅藻土固化表面；
(C)室温条件下，将脱模后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，即得到仿鲨鱼硅藻土复合减阻表面；
6)硅藻土固化表面吸附缓释减阻剂：
(A)室温条件下，将5)制得的仿鲨鱼硅藻土复合减阻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；
(B)制备减阻剂水溶液；
(C)将干燥后的仿鲨鱼硅藻土复合减阻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，便制得吸附有减阻剂的硅藻土复合减阻表面。
本发明经高温烧结后的硅藻土固化表面，其固化强度在30MPa～40MPa，孔隙度在40％～60％。采用该方法所制作的仿鲨鱼硅藻土复合减阻表面，其形貌逼真度在65％～75％。采用该方法所制得的吸附有减阻剂的硅藻土复合减阻表面，其减阻率在20％～30％。
本发明所制作的仿鲨鱼硅藻土复合减阻表面不仅具有高逼真微米级仿鲨鱼鳞片沟槽形貌，能够发挥仿鲨鱼鳞片沟槽的减阻功能，而且还具有硅藻壳体的纳米级多孔微结构，能够同时发挥仿鲨鱼缓释自润滑粘液的减阻功能。从而实现提高水下航行器和长距离油气输送管道减阻能力的目的。
本发明利用仿鲨鱼硅藻土复合减阻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。
步骤5)中，为便于脱模，事先在镍质仿鲨鱼鳞片沟槽阴模板的有鳞面上涂敷一层质量百分比浓度为80％的氮化硼水溶液。
步骤6)中，采用的减阻剂水溶液为聚丙烯酰胺(PAM)减阻剂水溶液。
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(PAM)粉体颗粒，配制质量百分比浓度为2％的PAM减阻剂水溶液。
步骤1)中，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NH4、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。
步骤2)中，硅藻土滤筛工艺可以采用常用的滤筛方法，也可以采用如下步骤：将1)制得的硅藻土混合物在室温条件下加入去离子水，然后使用30μm～40μm的滤布进行过滤，滤掉粒径在30μm以上的硅藻土混合物，得到第四硅藻土混合物。
步骤3)中，硅藻土湿坯制作工艺可以采用常用的湿坯制作方法，也可以采用如下步骤：
(A)室温条件下，将2)得到的硅藻土混合物加入去离子水，配制固含量为50％～70％的硅藻土泥浆，然后陈腐1d；
(B)在一定形状的模具中采用注浆成型工艺制作出硅藻土湿坯；
(C)室温条件下对硅藻土湿坯进行初步的自然风干，含水率控制在60％～80％。
步骤3)中，模具可以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，可任意更换模具。
为便于脱模，步骤3)中，事先在模具内表面涂敷一层质量百分比浓度为80％的氮化硼水溶液。
有益效果：本发明采用高温烧结固化的方式将硅藻土固化成多孔表面并直接在其上复制仿鲨鱼鳞片形貌，得到的仿鲨鱼硅藻土复合减阻表面，并在仿鲨鱼硅藻土复合减阻表面吸附减阻剂，不仅能够发挥仿鲨鱼鳞片沟槽的减阻功能，而且还能够同时发挥仿鲨鱼缓释自润滑粘液的减阻功能。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明硅藻土烧结固化直接成型时的结构示意图；
图3为本发明镍质仿鲨鱼鳞片沟槽阴模板表面微观形貌；
图4为本发明仿鲨鱼硅藻土复合减阻表面微观形貌。
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，吸附有减阻剂的硅藻土复合减阻表面的制作方法，包括如下步骤：第一步，硅藻土预处理工艺，制得硅藻土混合物。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NH4、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。
第二步，硅藻土滤筛工艺，制得硅藻土混合物。硅藻土滤筛工艺可以采用常用的滤筛方法，也可以采用如下步骤：将第一步制得的硅藻土混合物在室温条件下加入去离子水，然后使用30μm～40μm的滤布进行过滤，滤掉粒径在30μm以上的硅藻土混合物，得到第四硅藻土混合物。
第三步，硅藻土湿坯制作工艺，可以采用常用的湿坯制作方法，也可以采用如下步骤：(A)室温条件下，将第二步得到的硅藻土混合物加入去离子水，配制固含量为50％～70％的硅藻土泥浆，然后陈腐1d。(B)在一定形状的模具中采用注浆成型工艺制作出硅藻土湿坯。模具可以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，可任意更换模具。(C)室温条件下对硅藻土湿坯进行初步的自然风干，含水率控制在60％～80％。
第四步：高逼真仿鲨鱼鳞片沟槽形貌复制成型：(A)采用生物表皮复制模板的复制方法复制出金属材质为镍、厚度为2.5mm～3.5mm的镍质仿鲨鱼鳞片沟槽阴模板。(B)将镍质仿鲨鱼鳞片沟槽阴模板在室温条件下放入去离子水中，在功率为800W～1200W、工作频率为30KHz～50KHz的条件下超声清洗10min～20min，然后烘干待用。生物表皮复制模板的复制方法可以采用现有的方法得到复制模板。参照图3，为采用脉冲电铸方法制作的镍质仿鲨鱼鳞片沟槽阴模板的微观结构示意图。
第五步，仿鲨鱼鳞片沟槽形貌约束下的硅藻土烧结固化直接成型：参照图2，(A)将第四步制得的镍质仿鲨鱼鳞片沟槽阴模板1的有鳞面朝上置于高温烧结炉内的烧结炉基座2上，然后将3)制得的硅藻土湿坯模具3放置在镍质仿鲨鱼鳞片沟槽阴模板1上方，且模具3内的硅藻土湿坯4倒扣在镍质仿鲨鱼鳞片沟槽阴模板1的有鳞面上。(B)在1050℃～1150℃温度范围内进行恒温烧结处理1.5h～2.5h，缓慢降至室温后进行脱模，即得到硅藻土固化表面；为便于脱模，事先在模具内表面均匀涂敷薄薄的一层质量百分比浓度为80％的氮化硼水溶液。为便于脱模，事先在镍质仿鲨鱼鳞片沟槽阴模板的有鳞面上均匀涂敷薄薄的一层质量百分比浓度为80％的氮化硼水溶液。(C)室温条件下将脱模后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，即得到仿鲨鱼硅藻土复合减阻表面。参照图4，为采用上述工艺制得的仿鲨鱼硅藻土复合减阻表面的形貌结构示意图。
第六步，硅藻土固化表面吸附缓释减阻剂：(A)室温条件下，将第五步制得的仿鲨鱼硅藻土复合减阻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。(B)制备减阻剂水溶液。采用的减阻剂水溶液为聚丙烯酰胺(PAM)减阻剂水溶液。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(PAM)粉体颗粒，配制质量百分比浓度为2％的PAM减阻剂水溶液。(C)将干燥后的仿鲨鱼硅藻土复合减阻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，便制得吸附有减阻剂的硅藻土复合减阻表面。
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 (5)
1.吸附有减阻剂的硅藻土复合减阻表面的制作方法，包括1）硅藻土预处理工艺，制得硅藻土混合物；2）硅藻土滤筛工艺，制得硅藻土混合物； 3）硅藻土湿坯制作工艺，制得硅藻土湿坯，其特征在于，还包括如下步骤：
4）高逼真仿鲨鱼鳞片沟槽形貌复制成型：
（A）采用生物表皮复制模板的复制方法复制出金属材质为镍、厚度为2.5mm～3.5mm的镍质仿鲨鱼鳞片沟槽阴模板；
（B）将镍质仿鲨鱼鳞片沟槽阴模板在室温条件下放入去离子水中，在功率为800W～1200W、工作频率为30kHz～50kHz的条件下超声清洗10min～20min，然后烘干待用；
5）仿鲨鱼鳞片沟槽形貌约束下的硅藻土烧结固化直接成型：
（A）将4）制得的镍质仿鲨鱼鳞片沟槽阴模板的有鳞面朝上置于高温烧结炉内的烧结炉基座上，然后将3）制得的硅藻土湿坯倒扣在镍质仿鲨鱼鳞片沟槽阴模板的有鳞面上；
（B）在1050℃～1150℃温度范围内进行恒温烧结处理1.5h～2.5h，缓慢降至室温后进行脱模，即得到硅藻土固化表面；
（C）室温条件下，将脱模后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，即得到仿鲨鱼硅藻土复合减阻表面；
6）硅藻土固化表面吸附缓释减阻剂：
（A）室温条件下，将5）制得的仿鲨鱼硅藻土复合减阻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；
（B）制备减阻剂水溶液；
（C）将干燥后的仿鲨鱼硅藻土复合减阻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，便制得吸附有减阻剂的硅藻土复合减阻表面。
2.根据权利要求1所述的吸附有减阻剂的硅藻土复合减阻表面的制作方法，其特征在于：步骤5）中，为便于脱模，事先在镍质仿鲨鱼鳞片沟槽阴模板的有鳞面上涂敷一层质量百分比浓度为80%的氮化硼水溶液。
3.根据权利要求1所述的吸附有减阻剂的硅藻土复合减阻表面的制作方法，其特征在于：步骤6）中，采用的减阻剂水溶液为聚丙烯酰胺减阻剂水溶液。
4.根据权利要求3所述的吸附有减阻剂的硅藻土复合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。
5.根据权利要求1所述的吸附有减阻剂的硅藻土复合减阻表面的制作方法，其特征在于：步骤2）中，硅藻土滤筛工艺采用如下步骤：
将1）制得的硅藻土混合物在室温条件下加入去离子水，然后使用30μm的滤布进行过滤，滤掉粒径在30μm以上的硅藻土混合物，得到第四硅藻土混合物。
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