CN106868572B - 一种电泳辅助微纳颗粒熔融自组装表面改性设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电泳辅助微纳颗粒熔融自组装表面改性设备，包括工作台、颗粒溶液混合循环容器、加工槽、输液装置、电泳辅助装置、真空加热装置和集成控制柜。使熔点较低的牺牲颗粒处于熔融状态，熔融的颗粒包裹或者粘连到另一种改性颗粒和金属工件表面，增加金属工件与微纳颗粒的结合力，利用改性颗粒本身的特点，进而使金属表面得到亲疏水微织构。电泳辅助装置可极大的提高溶液中极细颗粒的沉积效率，通过调节电场强度可以调节沉积速率和沉积厚度。
Description
技术领域
本发明涉及表面改性领域，特别是涉及一种电泳辅助微纳颗粒熔融自组装表面改性设备。
背景技术
当今社会，材料的应用涉及到生活、生产的各个方面，不同材料各有其特点和应用范围。而金属作为目前最常用的材料，被广泛应用于产品加工的各个领域。然而金属材料也有其固有的缺陷，金属材料的失效通常源于表面，最常见的失效形式为磨损、腐蚀、断裂。金属材料的表面特性主要取决于其加工工艺，所以加工成型的产品由于其工艺特点与加工质量等原因，容易出现性能缺陷或者不足。为了提高金属材料的强度、硬度、刚性、耐磨性、耐腐蚀等表面性能，需要对其进行后处理，以满足使用及性能要求。
现代科技的高速发展，对金属材料表面性能要求的日益提高，对表面处理技术及工艺有了新的发展和扩充，对金属工件表面进行亲疏水等仿生结构的表面改性是较为热门的表面技术。随着疏水表面“荷叶效应”的发现，超疏水材料广泛用于自清洁、防冻、防雾、防腐、防阻、微流体芯片、无损液体输送等方面，展示了超疏水材料的广阔运用前景。
目前，超疏水表面的制备大多采用电化学腐蚀法或化学腐蚀法，构建超疏水表面所需粗糙结构。电化学腐蚀法通过阳极氧化制备规则的粗糙表面，然后使用低表面能物质改性制备超疏水表面。该方法适用的材料范围广，可控性好，但条件相对苛刻，所使用的电解液大多是腐蚀性较强的酸或碱的混合液，电解液的消耗量较大，废液回收处理麻烦，不利于工业化的生产。化学腐蚀法常先采用硝酸、盐酸、氢氟酸等通过化学腐蚀来形成表面粗糙结构，然后再用热处理来构建表面的纳米结构，最后用低表面能物质改性制备超疏水表面。化学腐蚀法简单易行，但用作腐蚀液的物质都具有强的腐蚀性，废液处理麻烦，限制了化学腐蚀法的发展。
纳米尺寸的金属与功能分子的自组装在未来纳米电子器件中具有广阔的应用前景,对其基本理论和实际应用的研究正成为一个新兴的研究领域。目前纳米颗粒一般都要经过表面改性，使其广泛应用于各个领域：磁流体、彩色成像、磁记录材料以及生物医学。由于纳米颗粒的表面疏水性及较大的体表比，它在生物体内容易团聚,吸附血浆蛋白，容易被网状内皮系统(RES)清除，所以需要对纳米颗粒进行表面改性，增大亲水性,延长循环半衰期。可用于表面改性的物质很多，一般为有机物，也有无机物和蛋白质或抗体等。纳米颗粒目前是生物医用纳米材料领域异常活跃的方向之一。不同方法制备的纳米颗粒经不同聚合物或分子表面改性后具有多方面的生物医学应用。
现有的金属表面改性方法一般包括热烧结法和镍盐热分解法，热烧结法将碳材料浸渍在含改性物质的液相中，再通过中高温热处理使改性物质熔融与碳表面结合，从而调节碳表面亲疏水性。这种方法主要是通过聚四氟乙烯处理来增强疏水性，通过胺类物质处理来增强亲水性。
热处理时，熔融物质能够保护材料表面结构，所以该方法对碳材料表面结构的影响不大。通过原子力显微镜（AFM）表征指出多乙烯多胺熔融后能够保护碳纤维表面，形貌变化弱于仅热处理过的碳纤维。在化学组成方面，热烧结法在碳表面引入了改性物质中的元素和基团。在亲水改性方面，氨基官能团在氨化处理过程中被引入碳表面，并主要以酰氨基形式存在。碳纤维表面引入氨基后可以与水和环氧树脂的环氧基团形成氢键，浸润性得到很大改善。在疏水改性方面，PTFE附着碳表面后引入碳氟基团。由于PTFE含量增加，能更好地实现亲疏水平衡。热烧结法调控亲疏水性的优点是步骤简便、时间短。
镍盐热分解法是先将NI2+吸附在基体表面，再通过热分解镍盐获取镍催化中心。人们用硫酸镍、次磷酸钠配置的活化液在超声辅助的条件下对空心玻璃微珠活化2min，再在175摄氏下热氧化还原50min，成功实现空心玻璃微珠的无钯活化化学镀镍磷合金。随后又采用该活化液浸泡陶瓷微珠30min，同样在175摄氏度下热氧化还原50min，实现在陶瓷微珠表面的无钯活化化学镀镍磷合金。
热烧结法的缺点是需要高温处理，成本较高，并且在浸渍过程中改性物质附着可能不均，容易导致处理碳材料表面亲疏水性质不均匀。采用镍盐热分解法的缺点是不适用于熔点较低的基体材料，只适用于陶瓷、玻璃、碳酸硅等耐热物质。同时使用的化学试剂为低表面能改性剂，有污染，操作有危险，直接打磨预处理和热处理使金属表面粗糙度降低。
如何提供一种能够增强金属表面与纳米颗粒结合力的金属表面改性设备是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种电泳辅助微纳颗粒熔融自组装表面改性设备，能够增强金属表面与纳米颗粒结合力。
为解决上述技术问题，本发明提供一种电泳辅助微纳颗粒熔融自组装表面改性设备，包括：
工作台；
颗粒溶液混合循环容器，安装于所述工作台并用于混合纳米颗粒溶液；
加工槽，安装于所述工作台并用于放置待加工金属工件；
输液装置，用于向待加工金属工件表面输送纳米颗粒溶液；
电泳辅助装置，安装于所述工作台并分别导通连接电泳辅助阴极和待加工金属工件，且在待加工金属工件和所述电泳辅助阴极之间形成用于纳米颗粒沉积的电泳辅助电场；
真空加热装置，安装于所述工作台，并用于加热待加工金属工件以熔融其表面的部分纳米颗粒；
集成控制柜，内部设置有控制器，所述控制器通信连接并控制所述颗粒溶液混合循环容器、所述输液装置和所述真空加热装置。
优选地，所述颗粒溶液混合循环容器内部设置有用于振动纳米颗粒的超声振动装置、用于搅拌纳米颗粒溶液的磁力搅拌装置、用于引导纳米颗粒溶液的悬浮液吸引装置和用于过滤循环纳米颗粒溶液的溶液循环装置。
优选地，所述工作台上安装有通信连接所述控制器的微三维运动平台，所述加工槽安装于所述微三维运动平台，并与所述微三维运动平台同步运动使待加工金属工件对准所述输液装置。
优选地，所述加工槽底板上侧固定安装有用于夹持待加工金属工件的工件夹具。
优选地，所述工作台上设置有主轴，所述输液装置包括吸引管和吸引管夹具，所述吸引管一端的开口连通所述颗粒溶液混合循环容器，所述吸引管夹具夹持所述吸引管的另一端，使所述吸引管另一端的开口对准待加工金属工件，所述吸引管夹具安装于所述主轴并能够沿所述主轴移动。
优选地，所述主轴上安装有阴极夹具，所述阴极夹具夹持所述电泳辅助阴极，所述电泳辅助装置的一个输出端连接所述阴极夹具，另一个输出端连接所述工件夹具。
优选地，所述集成控制柜外部设置有通信连接所述控制器的键盘和显示屏。
优选地，所述工作台上安装有用于检测待加工金属工件表面纳米颗粒状态的视频检测装置。
优选地，所述视频检测装置包括安装于所述工作台的支架和安装于所述支架的电荷耦合图像传感器。
本发明提供一种电泳辅助微纳颗粒熔融自组装表面改性设备，包括工作台、加工槽、输液装置、电泳辅助装置、真空加热装置和集成控制柜。颗粒溶液混合循环容器安装于工作台并用于混合纳米颗粒溶液；加工槽安装于工作台并用于放置待加工金属工件；输液装置用于向待加工金属工件表面输送纳米颗粒溶液；电泳辅助装置，安装于所述工作台并分别导通连接电泳辅助阴极和待加工金属工件，且在待加工金属工件和所述电泳辅助阴极之间形成用于纳米颗粒沉积的电泳辅助电场；真空加热装置，安装于工作台，并用于加热待加工金属工件以熔融其表面的部分纳米颗粒；集成控制柜内部设置有控制器，控制器通信连接并控制颗粒溶液混合循环容器、输液装置和真空加热装置。
纳米颗粒溶液在颗粒溶液混合循环容器充分混合，然后将纳米颗粒溶液输送至待加工金属表面，使混合纳米颗粒在金属表面一次或者分次沉积，而得到有序的微粒排列，然后通过真空加热装置改变工件表面温度，使熔点较低的牺牲颗粒处于熔融状态，熔融的颗粒包裹或者粘连到另一种改性颗粒和金属工件表面，增加金属工件与微纳颗粒的结合力，利用改性颗粒本身的特点，进而使金属表面得到亲疏水微织构。同时对于尺寸很小的极细颗粒，颗粒的布朗运动与所受重力作用相抵消，在悬浊液中处于相对平衡的状态，不能沉积或者沉积速率很慢，效率较低，所以利用电泳辅助装置形成电泳辅助电场，通过微粒的电泳效应对其施加一定的电场作用，由于电泳沉积具有控制方便，对颗粒种类及颗粒表面状态无特殊要求等优点，所以可以在任意平面、曲面、凸台、凹槽等不规则金属表面进行混合微纳颗粒迁移和吸附，或者分次迁移和吸附不同种类颗粒。可极大的提高溶液中极细颗粒的沉积效率，通过调节电场强度可以调节沉积速率和沉积厚度。
附图说明
图1为本发明所提供的电泳辅助微纳颗粒熔融自组装表面改性设备的一种具体实施方式的结构示意图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种电泳辅助微纳颗粒熔融自组装表面改性设备，能够增强金属表面与纳米颗粒结合力。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
请参考图1，图1为本发明所提供的电泳辅助微纳颗粒熔融自组装表面改性设备的一种具体实施方式的结构示意图。
本发明具体实施方式提供一种电泳辅助微纳颗粒熔融自组装表面改性设备，包括工作台1、颗粒溶液混合循环容器2、加工槽7、输液装置、电泳辅助装置12和真空加热装置10。
其中，颗粒溶液混合循环容器2安装于工作台1并用于混合纳米颗粒溶液。具体地，颗粒溶液混合循环容器2内部设置有用于振动纳米颗粒的超声振动装置、用于搅拌纳米颗粒溶液的磁力搅拌装置、用于引导纳米颗粒溶液的悬浮液吸引装置和用于过滤循环纳米颗粒溶液的溶液循环装置。可以实现相同颗粒或不同颗粒的充分混合。
颗粒尺度在纳米级，使纳米级的颗粒在溶液中通过超声振动和磁力搅拌充分融合，将纳米级的不同种类金属颗粒或者不同种类非金属颗粒或者不同种类金属与非金属颗粒充分混合在溶液中。
加工槽7安装于工作台1并用于放置待加工金属工件6。具体地，工作台1上安装有通信连接控制器的微三维运动平台9，加工槽7安装于微三维运动平台9，并与微三维运动平台9同步运动使待加工金属工件6对准输液装置。微三维运动平台9可以使加工槽7进行准确定向运动，保证加工槽7与主轴4的相对位置，并使加工前悬浊液准确置于待加工金属工件6上。为了保证加工过程中的稳定性，加工槽7底板上侧固定安装有用于夹持待加工金属工件6的工件夹具8。
输液装置用于向待加工金属工件6表面输送纳米颗粒溶液。具体地，工作台1上设置有主轴4，输液装置包括吸引管和吸引管夹具，吸引管一端的开口连通颗粒溶液混合循环容器2，吸引管夹具夹持吸引管的另一端，使吸引管另一端的开口对准待加工金属工件6，吸引管夹具安装于主轴4并能够沿主轴4移动。主轴4便于与颗粒溶液混合循环容器2组合，使纳米颗粒溶液通过与主轴4连接的吸引管夹具把混合好的悬浮液从颗粒溶液混合循环容器2吸引至待加工金属工件6表面，可以一次也可以多次把混合好的溶液置于待加工金属工件6表面。
电泳辅助装置12安装于工作台1并分别导通连接电泳辅助阴极和待加工金属工件6，且在待加工金属工件6和电泳辅助阴极之间形成用于纳米颗粒沉积的电泳辅助电场。具体地，主轴4上安装有阴极夹具5，阴极夹具5夹持电泳辅助阴极，电泳辅助装置12的一个输出端连接阴极夹具5，作为阴极，另一个输出端连接工件夹具8。并在加工时通以交流或者直流电源，使待加工金属工件6与阴极间形成辅助电场，辅助颗粒有序沉积，并提高沉积效率。并可在线切换不同阴极，与不同工件组成电泳辅助电场，实现电泳辅助沉积。
通过微粒的电泳效应对其施加一定的电场作用，由于电泳沉积具有控制方便，对颗粒种类及颗粒表面状态无特殊要求等优点，所以可以在任意平面、曲面、凸台、凹槽等不规则金属表面进行混合微纳颗粒迁移和吸附，或者分次迁移和吸附不同种类颗粒。可极大的提高溶液中极细颗粒的沉积效率，通过调节电场强度可以调节沉积速率和沉积厚度。
在电场作用下，固液界面上胶体粒子的二维有序化具有在界面上保持胶体稳定性的普遍性质。外加直流电压或者方波脉冲对粒子的沉积结构具有明显影响，并通过外加直流电压或者方波脉冲调制组装过程，提高了二维沉积结构有序性的控制。在外加垂直于界面的交/直流电场的条件下，胶体粒子悬浮液可以在界面上形成多种有序曲面或平面结构。
真空加热装置10安装于工作台1，并用于加热待加工金属工件6以熔融其表面的部分纳米颗粒。把混合好的悬浊液通过吸引管置于待加工金属工件6上，在待加工金属工件6表面上一次或者分次沉积不同种类颗粒得到有序的微粒排列，然后把工件置于真空加热装置10中，加热到熔点较低的牺牲颗粒融化温度，由于不同颗粒的融化温度不同，在特定温度控制下只有特定种类的颗粒会熔化成熔融状态。熔融的颗粒包裹或者粘连到另一种改性颗粒上，并把该种颗粒和金属工件“焊”在一起，有效提高结合力，形成微纳嵌套结构和颗粒熔融自结合的效果，以达到利用微纳颗粒对金属工件表面进行表面亲疏水改性并增强颗粒与金属工件间结合力的效果。
集成控制柜11，内部设置有控制器，控制器通信连接并控制颗粒溶液混合循环容器2、输液装置和真空加热装置10，通过控制器控制各装置的工作。具体地，集成控制柜11外部设置有通信连接控制器的键盘和显示屏。也可通过设置不同装置实现设备的各种功能，均在本发明的保护范围之内。
在上述各具体实施方式提供的电泳辅助微纳颗粒熔融自组装表面改性设备的基础上，还可以在工作台1上安装用于检测待加工金属工件6表面纳米颗粒状态的视频检测装置3，可以实时对待加工金属工件6表面沉积情况和熔融状态下的颗粒分布情况进行实时检测。具体地，视频检测装置3包括安装于工作台1的支架和安装于支架的电荷耦合图像传感器，以提高检测的准确性，也可采用其他类型的视频检测装置进行检测，均在本发明的保护范围之内。
以上对本发明所提供的电泳辅助微纳颗粒熔融自组装表面改性设备进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (7)
1.一种电泳辅助微纳颗粒熔融自组装表面改性设备，其特征在于，包括：
工作台(1)；
颗粒溶液混合循环容器(2)，安装于所述工作台(1)并用于混合纳米颗粒溶液；
加工槽(7)，安装于所述工作台(1)并用于放置待加工金属工件(6)；
输液装置，用于向待加工金属工件(6)表面输送纳米颗粒溶液；
电泳辅助装置(12)，安装于所述工作台(1)并分别导通连接电泳辅助阴极和待加工金属工件(6)，且在待加工金属工件(6)和所述电泳辅助阴极之间形成用于纳米颗粒沉积的电泳辅助电场；
真空加热装置(10)，安装于所述工作台(1)，并用于加热待加工金属工件(6)以熔融其表面的部分纳米颗粒；
集成控制柜(11)，内部设置有控制器，所述控制器通信连接并控制所述颗粒溶液混合循环容器(2)、所述输液装置和所述真空加热装置(10)；
所述工作台(1)上安装有用于检测待加工金属工件(6)表面纳米颗粒状态的视频检测装置(3)，所述视频检测装置(3)包括安装于所述工作台(1)的支架和安装于所述支架的电荷耦合图像传感器。
2.根据权利要求1所述的电泳辅助微纳颗粒熔融自组装表面改性设备，其特征在于，所述颗粒溶液混合循环容器(2)内部设置有用于振动纳米颗粒的超声振动装置、用于搅拌纳米颗粒溶液的磁力搅拌装置、用于引导纳米颗粒溶液的悬浮液吸引装置和用于过滤循环纳米颗粒溶液的溶液循环装置。
3.根据权利要求1所述的电泳辅助微纳颗粒熔融自组装表面改性设备，其特征在于，所述工作台(1)上安装有通信连接所述控制器的微三维运动平台(9)，所述加工槽(7)安装于所述微三维运动平台(9)，并与所述微三维运动平台(9)同步运动使待加工金属工件(6)对准所述输液装置。
4.根据权利要求3所述的电泳辅助微纳颗粒熔融自组装表面改性设备，其特征在于，所述加工槽(7)底板上侧固定安装有用于夹持待加工金属工件(6)的工件夹具(8)。
5.根据权利要求4所述的电泳辅助微纳颗粒熔融自组装表面改性设备，其特征在于，所述工作台(1)上设置有主轴(4)，所述输液装置包括吸引管和吸引管夹具，所述吸引管一端的开口连通所述颗粒溶液混合循环容器(2)，所述吸引管夹具夹持所述吸引管的另一端，使所述吸引管另一端的开口对准待加工金属工件(6)，所述吸引管夹具安装于所述主轴(4)并能够沿所述主轴(4)移动。
6.工件权利要求5所述的电泳辅助微纳颗粒熔融自组装表面改性设备，其特征在于，所述主轴(4)上安装有阴极夹具(5)，所述阴极夹具(5)夹持所述电泳辅助阴极，所述电泳辅助装置(12)的一个输出端连接所述阴极夹具(5)，另一个输出端连接所述工件夹具(8)。
7.根据权利要求1所述的电泳辅助微纳颗粒熔融自组装表面改性设备，其特征在于，所述集成控制柜(11)外部设置有通信连接所述控制器的键盘和显示屏。
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