一种面向低表面能微滴定向输运与分离的结构及制备方法
阅读说明：本技术 一种面向低表面能微滴定向输运与分离的结构及制备方法 (Structure for directional transportation and separation of low surface energy microdroplets and preparation method ) 是由 李国强 李耀霞 崔泽航 于 2021-01-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种面向低表面能微滴定向输运与分离的结构及制备方法,结构呈圆锥形刺状,表面具有圆形微坑阵列,均匀排布,可实现低表面能油滴逆重力自发快速从尖端运输到底端的功能,运输液滴表面张力范围为15 mN/m-48 mN/m,在这个范围内,表面张力越小,速度越快,最大运输速度可达265 mm/s,基于不同表面能液滴间的运输速度差,通过先将表面能较低的成分分离运输,再输送表面能较高液滴,实现不同表面张力的混合有机物液滴的分离,实现水-油、油-油等有机物混合微油滴的有效分离与定向输送,油滴分离与提纯为油污处理、矿油泄漏等环境问题提供新解决方法。(The invention discloses a structure for directionally conveying and separating low-surface-energy micro-droplets and a preparation method thereof, the structure is in a conical thorn shape, the surface is provided with a circular micro-pit array which is uniformly arranged, the function of spontaneously and rapidly conveying low-surface-energy oil droplets from a tip to a bottom against gravity can be realized, the surface tension range of the conveyed liquid droplets is 15 mN/m-48 mN/m, the smaller the surface tension is, the higher the speed is, the maximum conveying speed can reach 265 mm/s, based on the conveying speed difference among the liquid droplets with different surface energies, the effective separation and directional conveying of the mixed micro-droplets of water-oil, oil-oil and the like are realized by separating and conveying the liquid droplets with higher surface energy first and then conveying the mixed organic liquid droplets with different surface tensions, the separation and purification of the oil droplets are oil stain treatment, The environmental problems such as mineral oil leakage and the like provide a new solution.)
技术领域
本发明涉及材料表面加工及液滴输运领域，具体涉及一种面向低表面能微滴定向输运与分离的结构及制备方法。
背景技术
空气及水中的油污通常以微滴形式存在，因其颗粒小、稳定性高，难以进行有效分离与回收，对生态环境乃至人类健康构成极大危害，如何有效地收集分离这些微油滴并回收利用是备受环保机构以及油矿工业关注的重要问题。目前关于油滴输送和分离的报道主要集中于水下输送和液相分离，远不能满足微滴分离及选择性传输，同时存在制备工艺复杂、输运效率低等特点。另一方面，微尺度混合液滴不受相分离的影响，传统分离方法在水-油、油-油等有机物混合微滴选择性分离与定向输运收集方面存在巨大挑战。
微液滴在固体表面沿特定方向的自动输运通常是由材料表面微观结构及其化学性质决定的，在工业生产和日常生活中具有重要的研究价值与实际意义，上述存在的制备工艺复杂、输运效率低、不能实现油-油等有机物混合微滴分离等问题， 上述存在的制备工艺复杂、输运效率低、不能实现油-油等有机物混合微滴分离等问题，因此，亟需一种新的思路和方法来解决上述技术问题。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种面向低表面能微滴定向输运与分离的结构及制备方法，解决了上述背景技术中提到的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种面向低表面能微滴定向输运与分离的结构，所述结构呈圆锥形刺状，表面有呈阵列均匀分布的圆形凹坑，凹坑内壁为随机分布的多孔纳米絮状结构，可实现低表面能油滴逆重力自发快速从锥刺尖端运输到底端的功能，运输液滴表面张力范围为15 mN/m-48 mN/m，最大运输速度为265 mm/s。
优选的，所述的圆锥刺状结构是利用飞秒激光加工制备的，所述激光的光斑直径为20μm，脉冲能量为20mW，扫描时间为25000μs，扫描线间距为25μm。
优选的，所述的凹坑直径为20-25 μm，凹坑深度为20-30 μm，凹坑中心间距为25-175 μm。
优选的，所述的锥刺结构圆锥刺长为15-25 mm，顶角为5-13°。
优选的，所述的锥刺结构圆锥刺长为15 mm，顶角为5°。
一种面向低表面能微滴定向输运与分离结构的制备方法，步骤如下：
S1、利用分辨率为10 μm的精密3D打印技术制备锥刺结构，材料为光固化树脂，具有亲油疏水性；
S2、利用飞秒激光在结构表面加工间距相同的微坑阵列，获得分布有圆形凹坑及内壁为多孔纳米絮状结构的圆锥刺结构，激光的激光光束入射方向垂直于圆锥刺，激光光束在表面进行平行线扫描；
S3、将经步骤S2处理后的圆锥刺以浓度99.7%的无水乙醇超声清洗5分钟，去除杂质，得到低表面能微滴定向输运与分离的结构。
优选的，所述步骤S1中的锥刺结构圆锥刺长为15-25 mm，顶角为5-13°。
优选的，所述步骤S1中的锥刺结构圆锥刺长为15 mm，顶角为5°
优选的，所述步骤S2中激光的光斑直径为20 μm，脉冲能量为20 mW，扫描时间为25000 μs，扫描线间距为25 μm。
本发明的有益效果是：
1.本发明通过研究液滴在独特复合锥刺结构表面的润湿性形态及输运机制，实现特定表面张力范围内低表面能液滴逆重力超快自发定向输运，呈现表面能越低，运输速度越快的趋势，基于不同液滴输送速度差，实现多表面张力混合微滴分离与选择性传输，实现水-油、油-油等有机物混合微油滴的有效分离与定向输送。
2.本发明制备简单，操作时间短，处理精度高，可实现低表面能液滴自发逆重力定向输运，输运液滴表面张力范围为15 mN/m-48 mN/m，在这个范围内，表面张力越小，速度越快，最大运输速度可达265 mm/s，目前已知文献中实现水下运油的速度达到32.96 mm/s。同时基于不同表面能液滴间的运输速度差可实现不同表面张力的水-油，油-油混合液滴的分离；5微升的水-正戊烷混合液滴分离时间为15.05 s；5微升的甲醇-正己烷有机混合液滴分离时间为25.17 s。该结构可重复利用，在油污处理方面具有重要的应用价值。
附图说明
图1为本发明低表面能微滴定向输运与分离结构的结构示意图，d表示为微坑间的距离；
图2为本发明低表面能微滴定向输运与分离结构的截面示意图，2α表示锥刺结构尖端的夹角；
图3为本发明低表面能微滴定向输运与分离结构的凹坑内部絮状结构电镜图；
图4为本发明实施例1低表面能微滴定向输运与分离结构的运输功能图；
图5为本发明实施例2低表面能微滴定向输运与分离的结构的油水分离功能图；
图6为本发明实施例3低表面能微滴定向输运与分离的结构的混合有机物液滴分离功能图；
图中，1-基体结构；2-凹坑；3-凹坑中心间距；4-凹坑絮状结构。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例的一种面向低表面能微滴超快定向输运与选择分离的结构，圆锥刺长为15 mm，顶角为5°，材料为光固化树脂，在圆锥刺表面有呈阵列均匀分布的圆形凹坑，凹坑内壁为随机分布的多孔纳米絮状结构，凹坑的直径为25 μm，深度为20 μm，凹坑中心间距为25μm。
上述具有低表面能微液滴定向运输与分离结构的制备方法，包括以下步骤：
S1.利用分辨率为10 μm的精密3D打印技术制备锥刺结构，材料为光固化树脂，圆锥刺长15 mm，顶角为5°；
S2. 利用飞秒激光在结构表面加工间距相同的微坑阵列，获得分布有圆形凹坑及内部为絮状结构的圆锥刺结构；激光的激光光束入射方向垂直于圆锥刺，激光光束在表面进行平行线扫描；激光的光斑直径为20 μm，脉冲能量为20 mW，扫描时间为25000 μs，扫描线间距为25 μm；
S3.将加工完成的圆锥刺以浓度99.7%的无水乙醇超声清洗5分钟，去除杂质。
为了验证低表面能微滴超快定向输运与选择分离的结构的液滴定向输运效果，通过针管将3 μL的正辛烷（表面张力为21.14 mN/m）滴在水平放置的圆锥刺结构尖端，油滴迅速运输到底端，速度为265 mm/s。
实施例2
本实施例的一种面向低表面能微滴超快定向输运与选择分离的结构，圆锥刺长为15 mm，顶角为5°，材料为光固化树脂，在圆锥刺表面有呈阵列均匀分布的圆形凹坑，凹坑内壁为随机分布的多孔纳米絮状结构，凹坑的直径为25 μm，深度为20 μm，凹坑中心间距为25μm。
上述具有低表面能微液滴定向运输与分离结构的制备方法，包括以下步骤：
S1.利用分辨率为10 μm的精密3D打印技术制备锥刺结构，材料为光固化树脂，圆锥刺长15 mm，顶角为5°；
S2. 利用飞秒激光在结构表面加工间距相同的微坑阵列，获得分布有圆形凹坑及内壁为絮状结构的圆锥刺结构；激光的激光光束入射方向垂直于圆锥刺，激光光束在表面进行平行线扫描；激光的光斑直径为20 μm，脉冲能量为20 mW，扫描时间为25000 μs，扫描线间距为25 μm；
S3.将加工完成的圆锥刺以浓度99.7%的无水乙醇超声清洗5分钟，去除杂质。
为了验证低表面能微滴超快定向输运与选择分离的结构的分离油包水混合液滴的效果，亚甲基蓝给水染色，苏丹红Ⅲ给正戊烷染色，用玻璃棒将两种液滴混合搅拌成油包水乳液，圆锥刺结构倾斜10°放置，用滴管吸取5微升的混合溶液，滴在结构尖端，红色的正戊烷沿着尖端迅速运输至底端，而蓝色的水滴呈半球状，停留在尖端，随之掉落，在15.05 s内分离完毕。
实施例3
本实施例的一种面向低表面能微滴超快定向输运与选择分离的结构，圆锥刺长为15 mm，顶角为5°，材料为光固化树脂，在圆锥刺表面有呈阵列均匀分布的圆形凹坑，凹坑内壁为随机分布的多孔纳米絮状结构，凹坑的直径为25 μm，深度为20 μm，凹坑中心间距为25μm。
上述具有低表面能微液滴定向运输与分离结构的制备方法，包括以下步骤：
S1.利用分辨率为10 μm的精密3D打印技术制备锥刺结构，材料为光固化树脂，圆锥刺长15 mm，顶角为5°；
S2. 利用飞秒激光在结构表面加工间距相同的微坑阵列，获得分布有圆形凹坑及内壁为絮状结构的圆锥刺结构；激光的激光光束入射方向垂直于圆锥刺，激光光束在表面表面进行平行线扫描；激光的光斑直径为20 μm，脉冲能量为20 mW，扫描时间为25000 μs，扫描线间距为25 μm；
S3.将加工完成的圆锥刺以浓度99.7%的无水乙醇超声清洗5分钟，去除杂质。
为了验证低表面能微滴超快定向输运与选择分离的结构的分离不同表面张力的油-油混合液滴的效果，亚甲基蓝给甲醇染色，正己烷不染色，用玻璃棒将两种有机液体搅拌成混合溶液，圆锥刺结构倾斜10°放置，用滴管吸取5微升的混合溶液，滴在结构尖端，无色的正己烷先于蓝色的甲醇沿着尖端迅速运输至底端，蓝色的甲醇最后逐渐慢慢沿着尖端运输至底端，在25.17 s内分离完毕。
图1、图2和图3分别为定向输运与选择分离结构的结构、截面示意图和凹坑内部絮状结构的电镜图，图1中d表示为微坑间的距离，图2中2α表示锥刺结构尖端的夹角，为了更好的说明本发明一种低表面能微液滴定向运输与选择分离结构及其制备方法所达到的有益效果，分别从凹坑间距、倾斜角度两个方面作分析实验。
对比例1
基于实施例1，凹坑间距分别为75μm，125μm，175μm以及未用激光加工的表面。其他条件不变。
对比例2
基于实施例1，将圆锥刺结构放置倾斜角分别为10°和20°进行实验对比。其他条件不变。
通过上述实施例1和对比例1-2的验证，实施例1能够实现低表面能液滴的超快运输，速度为265 mm/s，而对比例1-2均达不到本发明实施例1的效果，对比例中同一种液滴的运输速度较慢。
图4是实施例1在凹坑间距为25 μm的锥刺结构倾斜角为10°时，正辛烷运输示意图，图5是实施例2在凹坑间距为25 μm的锥刺结构倾斜角为10°时，正戊烷和水混合液体被分离过程示意图，图6是实施例3在凹坑间距为25 μm的锥刺结构倾斜角为10°时，甲醇和正己烷两种有机混合液滴被分离过程示意图，经过一系列对比实验发现，在凹坑为25μm，顶角为5°时，圆锥刺结构水平放置运输液滴效果最好，同时在可运输表面张力范围内（15 mN/m-48 mN/m），液滴表面张力越低，运输速度越快，本发明制备简单，操作时间短，处理精度高，可实现低表面能液滴自发逆重力定向输运，输运液滴表面张力范围为15 mN/m-48 mN/m，在这个范围内，表面张力越小，速度越快，最大运输速度可达265 mm/s，目前已知文献中实现水下运油的速度达到32.96mm/s。同时基于不同表面能液滴间的运输速度差可实现不同表面张力的水-油，油-油混合液滴的分离；5微升的水-正戊烷混合液滴分离时间为15.05s；5微升的甲醇-正己烷有机混合液滴分离时间为25.17s，该结构可重复利用，在油污处理方面具有重要的应用价值。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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