阅读说明：本技术 锥螺旋气泡输运装置及其制备方法 (Conical spiral bubble conveying device and preparation method thereof ) 是由 吴化平 卓江山 徐璞 杨哲 于 2019-10-31 设计创作，主要内容包括：锥螺旋气泡输运装置,包括一支锥螺旋体,锥螺旋体从起始端开始向上逐渐缩小至收束端,锥螺旋体的起始端为一倾斜正四边形,正四边形的竖直边沿锥螺旋向上逐渐增大。气泡直径要大于锥螺旋体内侧面的高度,楔角才能对气泡产生拉普拉斯力,同时锥螺旋的曲率对气泡产生曲率驱动力,在两个力的共同作用下,利用本发明,气泡可以被驱动着向锥顶运动。实现对气泡的反重力及反浮力的运输。(The conical spiral bubble conveying device comprises a conical spiral body, the conical spiral body is gradually reduced from a starting end to a convergence end, the starting end of the conical spiral body is an inclined positive quadrilateral, and the vertical edge of the positive quadrilateral is gradually increased upwards in a conical spiral manner. The diameter of the air bubble is larger than the height of the inner side surface of the conical spiral body, the wedge angle can generate Laplace force on the air bubble, meanwhile, the curvature of the conical spiral generates curvature driving force on the air bubble, and under the combined action of the two forces, the air bubble can be driven to move towards the conical top by utilizing the conical spiral device. The transportation of the antigravity and the antibuoyancy of the bubbles is realized.)

锥螺旋气泡输运装置及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种气泡输运装置及其制备方法，特别涉及锥螺旋气泡输运装置及其制备方法。

背景技术

气泡的产生、可控性收集、定向输运在许多现代科技领域都具有重要的作用。比如空气中的气泡，在许多自然和工艺过程中有重要应用，如在聚合、分散、提取，洗涤剂和化妆品的生产以及液体沸腾和冷凝过程中；液体环境中，气泡在四维彩超、物质传送、颗粒浮选、水净化、电化学、防腐、减阻等领域有重要应用。

空气环境中如何使气泡实现反重力自输运，克服重力的作用，改变气泡的输运方向、速度，将关系到空气环境中气泡在三维空间的应用。

同样，在液体环境中，对于直径较大的气泡，本质上难以实现有效的定向输运控制，气泡因为浮力影响较大而在液体介质中迅速上升。由于浮力垂直向上，气泡将直线向上移动，最终释放到大气中。因此，工业和农业过程涉及气泡的处理，比如废水处理和细矿物颗粒的浮选回收，通常利用它们的浮力。此外，当气泡的存在导致不利影响时，如水介质中的CO₂或H₂S微泡会加速金属的氢化并在表面形成氢气孔，进而导致管道严重腐蚀并缩短设备寿命，选择用于消除气泡的大多数传统方法利用浮力，包括化学方法和物理方法，但它们对复杂空间结构中气泡的消除往往也需要反浮力的操作。

发明内容

为解决现有技术的问题，本发明提供一种锥螺旋气泡输运装置，这种气泡输运装置，结构简单，可以通过不同的参数设定实现气泡输运方向、速度、距离的调节。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

锥螺旋气泡输运装置，包括一支锥螺旋体,锥螺旋体从起始端开始向上逐渐缩小至收束端，锥螺旋体的起始端为一倾斜正四边形，正四边形的竖直边沿锥螺旋向上逐渐增大。

上述的锥螺旋气泡输运装置，锥螺旋体的圈数为5-7圈。

锥螺旋气泡输运装置的制备方法，包括以下步骤：

步骤一，用3D打印机制备出三维锥螺旋体；

步骤二，制备粗糙微纳米结构：利用飞秒激光对锥螺旋体表面扫描处理获得粗糙微米结构；

步骤三，制备超疏水基底：用刷子蘸取适量的超疏水溶液均匀涂覆在锥螺旋体的内表面，并将样品放在调至60 ℃的烘台上烘干，放置15分钟并确保溶剂完全挥发，然后，重复蘸取、涂覆、烘干五次；

步骤四，滴加润滑剂，用电吹风吹拭表面，除去多余润滑剂，在基底表面形成一层润滑膜。

将本发明的锥螺旋体沿直线展开，可以看出其内壁是一个楔角为

的楔形，并且楔形的尺寸从底部到锥顶逐渐增大。

锥螺旋从底部到锥顶逐渐缩小，使曲率梯度越来越大，曲率的变化率越大，产生的曲率驱动力就越强。

气泡直径要大于锥螺旋体内侧面的高度，楔角才能对气泡产生拉普拉斯力，同时锥螺旋的曲率对气泡产生曲率驱动力，在两个力的共同作用下，利用本发明，气泡可以被驱动着向锥顶运动。

相同运输距离，即气泡从锥螺旋体的底部输运到锥顶的距离相同时，意即在锥螺旋高度一定的情况下，锥螺旋的圈数越多，气泡走过距离越大，所以在一定的输运距离内锥螺旋的圈数尽可能小；但是圈数过小，气泡的速度就会受到限制，所以须将圈数控制在一定范围，使气泡的速度和走过的时间、距离满足要求输运的要求。经过实验，锥螺旋的圈数在5～7圈时为最佳，既能将气泡输运指定距离，也能使气泡的输运速度达到要求，同时也可对气泡的输运时间进行控制。

在液体环境中，在锥螺旋体表面制备超疏水基底，能使气泡吸附在锥螺旋内表面。在锥螺旋体表面滴上润滑剂，能减少气泡的输运摩擦力。

润滑剂可以使用HFE7100，这种润滑剂由甲基九氟丁醚组成，具有低表面张力和低粘度，可以减小气泡运输过程中的粘阻力。

本发明的有益效果是：

1）在工作环境中，楔形拉普拉斯力与曲率驱动力结合为气泡的驱动力，驱使气泡沿着楔形锥螺旋朝着顶部运动，可实现反重力操作，比如将本发明倾斜放置也可以实现气泡的输运。

2）通过调节锥螺旋体截面的四边形的竖直边长L ₁、L ₂，可以改变楔形楔角的大小，进而调节拉普拉斯力的大小；通过适当调节锥螺旋的锥角α ₂、锥螺旋的间距h、锥螺旋的半径r就可以改变锥螺旋的曲率，进而用来调节曲率驱动力；锥螺旋截面的四边形与Z轴的倾角α ₁决定了驱动力在径向和轴向的划分，通过改变α ₁来改变径向驱动力和轴向驱动力的相对大小。

本发明可以通过结构参数的调节以适应不同体积的气泡、不同输运速度、不同输运距离的运输要求。

3）在液体工作环境中，径向的驱动力驱使着气泡沿着楔形锥螺旋体朝着锥顶方向运动。如果将锥顶倾斜甚至朝向下方，可以实现反浮力操作，消除气泡对金属器件的腐蚀等一系列不利影响。

4）本发明适用于复杂空间结构的气泡输运。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明加装底座后的结构示意图。

图3为在空气环境中不同曲率梯度对输运状态的影响。

图4为在空气环境中不同楔角对输运状态的影响。

图5为在液体环境中气泡横向输运过程示意图。

图6为在液体环境中不同曲率梯度对输运状态的影响。

图7为在液体环境中不同楔角对输运状态的影响。

图8为在液体环境中气泡从上到下的输运过程示意图。

具体实施方式

实施例一

参照附图，锥螺旋气泡输运装置，包括一支锥螺旋体，锥螺旋体在三维空间坐标系中的结构如下：

与Z轴的倾角为α₁、边长为L₂的正四边形，从底部沿螺距为h、锥度为

的螺旋线向上逐渐增大、正四边形其中两条竖向对边线性增大到L₁，螺旋线的底部半径为r，旋转圈数为n。

用三维软件建模，并使仿生锥螺旋取如下结构参数：α ₁=45°，α ₂=30°，L ₁=3 mm，L ₂=1mm，h=5 mm，n=7，r=10 mm；可以采用3D打印技术制备出三维锥螺旋。

在本发明的锥螺旋装置固定在底座上，再将底座安装在气泡输运的起始位置，即可输运气泡，气泡将从锥螺旋的底部向锥顶输运。如将锥螺旋倾斜放置，即可克服目前气泡只能依靠空气浮力进行输运的缺陷，使气泡的输运方向、速度、时间可控。

实施例二

参照附图，本例在实施例一制备好的锥螺旋装置基础上，采用以下步骤：

步骤二，制备粗糙微纳米结构：利用飞秒激光对锥螺旋体表面扫描处理获得粗糙微米结构；

步骤三，制备超疏水基底：用刷子蘸取适量的超疏水溶液均匀涂覆在锥螺旋体的内表面，并将样品放在调至60 ℃的烘台表面烘干，放置15分钟并确保溶剂完全挥发，然后，重复蘸取、涂覆、烘干五次；

步骤四，滴加HFE7100润滑剂，用电吹风吹拭表面，除去多余润滑剂，在基底表面形成一层润滑膜。

本例所述的锥螺旋体，由于在表面作了超疏水处理且滴加了润滑剂，可以适用于液体环境中。

本例的反浮力测试如图5及图8所示，在水下环境中用液枪取一定体积的气泡于锥螺旋体底部释放，用高速摄像机观测，气泡沿锥螺旋底部向下反浮力自驱动输运。从图中可以看出，在水下环境中气泡沿着楔形锥螺旋结构的内壁横向及向下实现了克服浮力作用实现反浮力运输。

图6是改变锥螺旋的螺旋线的底部半径r实现的气泡体积和速度的调控。对于某一体积的气泡来说，螺旋参数r越大，曲率梯度越小，获得的驱动力也随之增大。

图7是改变基底结构楔角α实现的气泡体积和速度的调控。对于某一体积的气泡来说，楔角越大，所获得的驱动力越大。