CN114985937B - 一种光催化材料复合微织构防微生物附着表面的制备方法 - Google Patents

一种光催化材料复合微织构防微生物附着表面的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种光催化材料复合微织构防微生物附着表面的制备方法，包括如下步骤：(1)基材表面预处理；(2)涂层制备；(3)乙醇溶液辅助激光织构化处理；(4)后处理。本发明所述光催化材料复合微织构防微生物附着表面的制备方法能够增加TiO2涂层的锐钛矿相成分，增加光催化材料的有效作用面积，并在结构上使得污损生物硅藻难以附着，通过微凸起结构和光催化材料的联动效应，阻碍生物污损的微生物膜的形成阶段以实现降低海洋污损生物的附着。

Description

一种光催化材料复合微织构防微生物附着表面的制备方法
技术领域：
本发明涉及陶瓷涂层表面的处理领域，具体地说，涉及一种光催化材料复合微织构防微生物附着表面的制备方法。
背景技术：
海洋资源一直是许多国家的重要开发目标，海洋平台的稳定工作是海洋勘探、建设和开发发展的重要保障。防海洋污损生物附着是保障海洋平台寿命和安全的一项重要工作。海洋生物的附着会增加平台的负荷。海洋平台导管架的潮间带生物污损严重，对平台影响显着。对于深井平台，海洋平台受浪涌的冲击影响较大，载荷要求严格。附着在导管架上的污垢生物需要定期清除。污垢生物的沉降还会导致钢结构加速腐蚀，进而影响金属部件的安全性和使用寿命。一些污垢生物的分泌物会改变金属的表面特性，直接导致附着的接触表面腐蚀。每年，人工清除水下设备上的污垢生物会消耗大量的人力和物力。
目前的防海洋污损生物附着技术主要以防污涂料为主，随着对环保的要求越来越高，有机锡等防污涂料被发现对生态系统具有严重污染从而被禁止使用，作为替代产品，目前大多涂料中的有效成分为氧化亚铜，而亚铜粒子在近些年的研究中也被发现对环境具有潜在的危害，因此迫切需要一种绿色安全的对海洋平台导管架进行生物污染控制的方法。
本发明提出了一种等离子喷涂光催化材料复合激光织构化处理制备防微生物附着表面的制备方法，以解决现有技术中海洋平台导管架在海洋生物附着防治方面所存在的问题。
发明内容：
为了解决上述问题，本发明提供了一种光催化材料复合微织构防微生物附着表面的制备方法。本发明的表面由若干柱状微小的圆形凸起结构组成，微凸起结构四周为相互连通的沟槽。在所述制备方法中，一方面微织构本身的物理结构能够减少大尺寸的硅藻附着点，并使小尺寸的硅藻难以聚集；另一方面，所述圆形微凸起织构的引入能够大大增加光催化材料的有效作用面积，并在激光加工的过程中提供对涂层进行同步的热处理，增加光催化材料的有效成分。最终形成圆形微凸起织构和光催化材料的联动效应。
为实现上述目的，本发明提供一种光催化材料复合微织构防微生物附着表面的制备方法，包括如下步骤：
一种光催化材料复合微织构防微生物附着表面的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)基材表面预处理
对基材表面进行清洁，并进行喷砂预处理；
(2)涂层制备
使用光催化材料喷涂粉末，利用等离子喷涂工艺对基材表面喷涂制备光催化涂层；所述光催化材料为TiO2，所述光催化涂层为TiO2涂层；
(3)乙醇溶液辅助激光织构化处理
将喷涂后的基材超声清洗后，浸入4-6wt.％的乙醇溶液中进行激光织构化处理，织构形状为圆形微凸起织构；
(4)后处理
对织构化处理的基材进行超声清洗，清洗后用压缩空气将表面吹干；
其中，步骤(1)所述喷砂工艺选用白刚玉颗粒；
步骤(2)中，所述喷涂粉末选用粒径为15-45μm的熔炼磨碎粉；
步骤(2)中，所述光催化涂层厚度为190-210μm。
优选地，步骤(3)中，所述圆形微凸起结构的直径为25-30μm，所述圆形微凸起织构间沟槽的宽度为30-35μm，深度为45-55μm。
优选地，所述乙醇溶液的质量百分比为5wt.％。
优选地，所述TiO2涂层厚度为200μm。
具体地，上述步骤(2)的喷涂工艺参数如表1所示。上述步骤(3)的激光参数如表2所示。
表1
Ar气流量，SLPM 38-42
H<sub>2</sub>气流量，SLPM 11-13
载气量，SLPM 3-4
送粉速率，g/min 65-75
电流，A 550
电压，V 70
喷涂距离，mm 110-130
表2
Figure BDA0003620324500000021
Figure BDA0003620324500000031
本发明的有益效果：
在本发明所述的制备方法中，首先对基材表面进行喷砂处理，然后在其上面喷涂TiO2陶瓷涂层，最后以激光去除材料的方式，以乙醇溶液辅助，在涂层表面加工圆形微凸起织构。其中，乙醇溶液可起到降低激光加工温度，为涂层表面生成并保留更多的锐钛矿相，以提高光催化效应。圆形微凸起织构不仅在物理结构上使主要的污损生物之一硅藻难以附着，还能使涂层表面的光催化材料具有更大的有效作用面积，并在激光加工的过程中提供对涂层进行同步的热处理，增加光催化材料的有效成分，最终形成圆形微凸起织构和光催化材料的联动效应，使防生物污损表面难以形成大型污损生物附着所必须的微生物膜。
附图说明：
图1是防微生物附着表面的制备方法示意图；
图2是防微生物附着表面的结构示意图；
图3是圆形微凸起织构的表面形貌图；
图4是实施例1-5中的不同织构的光催化材料暴露面积图；
图5是实施例1-5中的不同织构对硅藻(三角褐指藻)的附着量对比图。
图6是实施例6-10中的不同织构的光催化材料暴露面积图；
图7是实施例6-10中的不同织构对硅藻(三角褐指藻)的附着量对比图。
其中，在图4-7中：
T1：本发明所述圆形微凸起织构的TiO2陶瓷涂层；
T2：正六边形凸台织构的TiO2陶瓷涂层；
T3：三角网状织构的TiO2陶瓷涂层；
T4：正交网状织构的TiO2陶瓷涂层；
T5：未经织构处理的TiO2陶瓷涂层。
具体实施方式：
第一组对比实施例：实施例1-实施例5
实施例1
(1)基材表面预处理
对基材表面进行清洁，除油除锈，并使用白刚玉颗粒进行喷砂预处理；
(2)涂层制备
使用粒径为15-45μm的TiO2熔炼破碎粉，利用等离子喷涂工艺对基材表面喷涂制备TiO2陶瓷涂层，喷涂工艺的等离子气体为氩气和氢气，载气为氩气，气流量分别为42SLPM、13SLPM、4SLPM；送粉速率为65g/min；电流550A，电压70V，喷涂距离130mm；TiO2涂层厚度为190μm。
(3)乙醇溶液辅助激光织构化处理
将喷涂后的基材超声清洗后，浸入4wt.％的乙醇溶液中进行激光织构化处理，织构形状为圆形微凸起织构，所述圆形微凸起织构的直径为30μm，所述圆形微凸起织构间沟槽的宽度为35μm，深度为55μm。所用激光参数扫描速度220mm/s，扫描次数10次，激光功率6W，脉冲宽度为100ns，脉冲频率为20kHz；。
(4)后处理
对织构化处理的基材进行超声清洗，清洗后用压缩空气将表面吹干。
实施例2
实施例2与实施例1的不同之处在于：
步骤(3)中织构形状为正六边形凸台织构。
其他同实施例1。
实施例3
实施例3与实施例1的不同之处在于：
步骤(3)中织构形状为三角网状织构。
其他同实施例1。
实施例4
实施例4与实施例1的不同之处在于：
步骤(3)中织构形状为正交网状织构。
其他同实施例1。
实施例5
实施例5与实施例1的不同之处在于：
未进行步骤(3)中的激光织构加工。
其他同实施例1。
第二组对比实施例：实施例6-实施例10
实施例6
实施例6与实施例1的不同之处在于：
步骤(2)中，等离子气体中氩气的气流量为38SLPM，氢气的气流量为11SLPM，载气的气流量为3SLPM；送粉速率为75g/min，喷涂距离为110mm；TiO2涂层厚度为200μm。
步骤(3)中，乙醇溶液浓度为5wt％，所述圆形微凸起织构的直径为25μm，所述圆形微凸起织构间沟槽的宽度为30μm，深度为45μm；所用激光参数扫描速度180mm/s，扫描次数12次，激光功率4W，脉冲宽度为200ns，脉冲频率为30kHz。
其他同实施例1。
实施例7
实施例7与实施例6的不同之处在于：
步骤(3)中织构形状为正六边形凸台织构。
其他同实施例6。
实施例8
实施例8与实施例6的不同之处在于：
步骤(3)中织构形状为三角网状织构。
其他同实施例6。
实施例9
实施例9与实施例6的不同之处在于：
步骤(3)中织构形状为正交网状织构。
其他同实施例6。
实施例10
实施例10与实施例6的不同之处在于：
未进行步骤(3)中的激光织构加工。
其他同实施例6。
硅藻附着试验：
取实施例1-10所得基材涂层，在下述试验条件下通过表面附着的硅藻数量考察对污损生物硅藻的防污损性能。
试验方法：取浓度为106/ml的硅藻悬浮液600ml，将实施例1-10所得基材涂层平行放置其中，12小时光照，12小时黑暗，试验结束后取出。测量表面的硅藻附着量；
试验环境温度：20-25℃；
试验时间：24小时和72小时两组；
试验设备：Zeiss公司生产的偏光显微镜AxToScope.A1APoL；
试验结果见图4-7，其中，图4是实施例1-5中的不同织构的光催化材料暴露面积图，图5是实施例1-5中的不同织构对硅藻(三角褐指藻)的附着量对比图，图6是实施例6-10中的不同织构的光催化材料暴露面积图，图7是实施例6-10中的不同织构对硅藻(三角褐指藻)的附着量对比图。
从硅藻附着量上看，本专利所制备的实施例1、实施例6在24小时和72小时的硅藻附着试验中，附着量相较于未经织构加工的以及其他形式织构的实施例始终保持较低水平。24小时的硅藻附着试验中，本发明的防污损性能已经与其他实施例初步拉开差距，但差距有限，这可能由于试验时间较短，光催化材料未能充分发挥作用。随着试验时间增加，在72小时的硅藻附着试验中，实施例1、实施例6与其他实施例的差距明显增大，且圆形微凸起织构使硅藻最难以附着。从图4、图6可以看出，微凸起织构对光催化材料的面积增加也最大。试验结果表明，本专利通过圆形微凸起织构和光催化材料的联动效应，对防止硅藻的附着具有显著作用，阻止了大型污损生物附着所必须的微生物膜的形成。此外，与常规的防污涂料相比，本发明所用的等离子喷涂陶瓷涂层的硬度达到了679.37hv，可以更好的防止浪涌夹带的异物划伤，对海洋平台导管架的保护更加有效，更有利于延长涂层的服役寿命。

Claims (5)

1.一种光催化材料复合微织构防微生物附着表面的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)基材表面预处理
对基材表面进行清洁，并进行喷砂预处理；
(2)涂层制备
使用光催化材料喷涂粉末，利用等离子喷涂工艺对基材表面喷涂制备光催化涂层；所述光催化材料为TiO2，所述光催化涂层为TiO2涂层，所述TiO2涂层厚度为200μm；
(3)乙醇溶液辅助激光织构化处理
将喷涂后的基材超声清洗后，浸入4-6wt.%的乙醇溶液中进行激光织构化处理，织构形状为圆形微凸起织构；
(4)后处理
对织构化处理的基材进行超声清洗，清洗后用压缩空气将表面吹干；
其中，步骤(1)所述喷砂工艺选用白刚玉颗粒；
步骤(2)中，所述喷涂粉末选用粒径为15-45μm的熔炼磨碎粉；
步骤(2)中，所述光催化涂层厚度为190-210μm。
2.根据权利要求1所述的光催化材料复合微织构防微生物附着表面的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述圆形微凸起结构的直径为25-30μm，所述圆形微凸起织构间沟槽的宽度为30-35μm，深度为45-55μm。
3.根据权利要求1所述的光催化材料复合微织构防微生物附着表面的制备方法，其特征在于，所述乙醇溶液的质量百分比为5wt.%。
4.根据权利要求1所述的光催化材料复合微织构防微生物附着表面的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述喷涂工艺：等离子气体为氩气和氢气，气流量分别为38-42SLPM、11-13SLPM，载气为氩气，气流量为3-4SLPM，送粉速率为65-75 g/min，喷涂距离110-130mm。
5.根据权利要求1所述的光催化材料复合微织构防微生物附着表面的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，激光加工参数：扫描速度180-220mm/s，脉冲宽度100-200ns，脉冲频率20-30kHz，扫描次数8-12次，激光功率4-6W。
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