CN113845173A - 一种磁控开关的单向输水结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种磁控开关的单向输水结构及其制备方法，属于油水分离领域。该结构上下表面具有相反的浸润性，是一种柔性、可通过控制磁场从而控制开关的单向水运输结构。加工步骤包括：(1)利用空间整形的飞秒激光对具有柔性与磁性的材料的正面(上表面)进行大面积扫面处理，在材料正面加工出表面微纳复合结构，具有疏水性；(2)利用聚焦的高斯飞秒激光对经过步骤(1)处理后的材料的反面(下表面)进行大能量划刻加工，在材料的反面加工出多种形状的穿透材料的半开孔结构，具有亲水性。该结构可有效地应用于高效率与可控的油水分离过程，该方法简单灵活，无需掩膜。

Description

一种磁控开关的单向输水结构及其制备方法
技术领域
本发明属于油水分离结构及其制备领域，具体涉及一种磁控开关的单向输水结构及其制备方法。
背景技术
工业含油的污水处理往往需要投入大量的资金，且需要满足绿色、便捷、有效的要求。尤其针对大型工业的含油污水和海洋石油污染废水，往往污水量大，需要大批量处理，同时废水中含油量高，需要进行高效的油水分离。现有的滤膜过滤技术进行油水分离往往具有工程投入大，寿命短，处理效率有限的缺点，且在分离过程中可控性差。科研人员也致力于研究出成本更低、可控性更高的油水分离结构或装置。其中，制造同时具有两面不同浸润性的过滤材料可以有效地应用于油水分离。当过滤材料的上表面疏水，下表面亲水时，水会从疏水侧向亲水侧单向流动。而疏水的结构在水下是亲油的，同时亲水的结构在水下是疏油的。根据这一特性，可以制备一种单向的油水分离装置。目前制备这种结构的方法主要是化学合成法，往往需要花费大量的时间。利用超短脉冲激光来改变材料的浸润性是一种快速有效且非常灵活的方法，可以对材料的单一表面进行快速地处理，即可以灵活地生成过滤结构。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术存在分离效率低、分离过程中可控性较差的问题，提供一种磁控开关的单向输水结构及其制备方法，该结构是一种柔性磁控、可随时开关的单向输水油水分离结构，该方法通过空间光整形的飞秒激光和聚焦的高斯激光对具有柔性的磁性材料的上下表面分别进行处理，从而制备出具有双面不同浸润性的过滤表面，通过磁控可以控制加工出的半开过滤孔的开关，从而实现磁控的高效、灵活的油水分离。
为实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种磁控开关的单向输水结构及其制备方法，是一种材料柔性、可通过磁场控制从而随时控制孔的打开与闭合的单向输水结构。
在所述柔性、磁性材料表面加工出半开孔结构，所述半开孔结构通过施加磁场从而控制半开孔结构的开关，半开孔结构打开时水可以开始实现单向运输，半开孔结构关闭时水停止运输。
一种磁控开关的单向输水结构及其制备方法，包括如下制备步骤：
步骤一：利用柱面镜进行空间整形的飞秒激光对柔性磁性箔片的正面(上表面)进行大面积扫面处理，在材料正面加工出飞秒激光诱导的表面微纳复合结构；
步骤二：利用聚焦的高斯飞秒激光对经过步骤一处理后的材料的反面(下表面)进行大能量划槽加工，在材料的反面加工出多种形状的穿透材料的半开孔结构；
材料的正面经过空间整形的飞秒激光大面积加工后，原本光滑的表面形成丰富的表面微纳复合结构，这种结构是疏水的。而材料的反面保留其原本的亲水性，利用经过聚焦的高斯激光大能量划刻出图案化的半开孔结构，通过磁场控制可以控制加工出的半开过滤孔的开关。将这种制备出的结构放置于油水混合液容器的出口处，通过磁性控制半开孔的开放，即可实现水从该结构的疏水侧单向传输到亲水侧，从而实现油水分离的效果。若关闭周围磁场，则可实现半开孔的关闭，停止油水分离过程。通过此方法，则可以实现灵活高效的磁控油水分离。
进一步的，为满足磁控灵活的要求，步骤一中柔性磁性箔片厚度应为在十-百微米的尺度，控制利用柱面镜整形过的激光扫描过程中的激光能量与扫描速度，以确保激光通量范围为0.1-0.4J/cm2，用“一”字形对材料上表面进行扫描，形成大面积的表面微纳复合结构。所述表面微纳复合结构包括波纹状的表面周期性结构和不规则的凸起与沟壑组成的微纳复合结构。
步骤二所述聚焦的高斯飞秒激光，控制激光扫描过程中的激光能量、扫描速度与扫描间距，以确保激光通量范围为1.0-2.0J/cm2，通过计算机进行图案化的半开孔扫描，以制备磁控半开孔过滤装置。为满足输水的要求，半开孔结构的单个尺寸应为十-百微米的尺度。
实现上述方法的空间整形飞秒激光加工装置，包括：飞秒激光器、光栅、衰减片、光学快门、反射镜、柱面镜、六轴平移台。飞秒激光脉冲从激光器发出后，依次通过光栅和衰减片，随后，通过光学快门来控制激光的开关。经由反射镜引入加工所用的柱面镜。待加工样品放置在六轴平移台上。飞秒激光经柱面镜进行空间光整形后，相比于普通透镜聚焦的“点聚焦”变为了“线聚焦”。通过计算机控制系统控制六轴平移台的移动，可以实现线聚焦光斑的移动，平移过程中运动途径为“一”形，从而实现单行移动就满足了大面积加工的需要，在材料正面(上表面)加工出大面积表面周期性结构。
实现上述方法的聚焦高斯飞秒激光加工装置，包括：飞秒激光器、光栅、衰减片、光学快门、反射镜、聚焦透镜、六轴平移台。飞秒激光脉冲从激光器发出后，依次通过光栅和衰减片，随后，通过光学快门来控制激光的开关。经由反射镜引入加工所用的聚焦透镜。待加工样品放置在六轴平移台上。通过计算机控制系统控制六轴平移台的移动，可以实现样品在三维空间中的任意移动从而实现图案化的飞秒激光加工过程，从而在材料反面(下表面)加工出多种形状的半开孔结构。
有益效果
1、本发明的一种磁控开关的单向输水结构，通过控制外加磁场，磁性箔片上经飞秒激光加工出的半开孔结构会掀起一定角度，使原本不透水的磁性箔片变成一种过滤膜。具有上下表面不同浸润性的过滤膜材料通过飞秒激光双面加工后，由于上表面是疏水的，而下表面是亲水的，因此当半开孔打开时，由于内部自驱动力的作用，水会从上表面渗透到下表面，而油则不会通过。若此过程中控制外部磁场使半开孔处于关闭状态，将会暂停油水分离过程，由此则可以实现磁控的高效率油水分离过程。
2、本发明的一种磁控开关的单向输水结构的制备方法，通过飞秒激光在上下表面加工，可以实现将柔性的磁性材料箔片加工出一面为疏水的表面微纳复合结构，一面为亲水的半开孔结构。利用超短脉冲激光来改变材料的浸润性是一种快速有效且非常灵活的方法，可以对材料的单一表面进行快速地处理，可以灵活地生成过滤装置。且加工过程中不需要复杂的化学处理，没有有毒有害的生成物，干净环保。
3、本发明的一种磁控开关的单向输水结构及其制备方法的应用主要为油水分离领域，利用这种方法可以使材料上下表面具有不同的浸润性，从而形成柔性磁控单向水运输表面。尤其可通过施加外在磁场对油水分离过程进行控制，油水分离前期可以打开半开孔，使沉积在下方含油量低的水快速通过，而在中后期可通过控制磁场从而控制半开孔闭合，从而阻断含油量高的水从孔内通过，具有高度可控性与实用性。
附图说明
图1为本发明实施例制备柔性磁控单向输水结构的飞秒激光加工系统图。
图2为本发明实施例1的主要步骤示意图：其中，(a)为待加工的柔性具有磁性的材料箔片；(b)为利用柱面镜进行空间整形的飞秒激光在材料的正面(上表面)加工出大面积表面微纳复合结构；(c)为利用聚焦透镜进行聚焦的飞秒激光在材料的反面(下表面)加工出图案化的半开孔结构；(d)为加工好的正面具有表面微纳复合结构，反面具有半开孔结构的柔性磁性单向输水结构，可用于油水分离。
图3为本发明实施例2的一种磁控开关的单向输水结构的两个典型的上表面扫描电子显微镜图片。
图4为本发明实施例2的材料反面(下表面)可加工的典型的四种图案化半开孔示意图。
图5为本发明实施例2加工出的上表面(疏水)、下表面(亲水)的接触角测试结果。
图6为本发明实施例3的加工出的磁控单向输水结构应用于油水分离过程的示意图。
其中，1-飞秒激光器；2-光栅；3-衰减片；4-光学快门；5-反射镜；6-待加工基片；7-计算机；8-六维平移台；9-柱面镜；10-聚焦透镜。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
一种磁控开关的单向输水结构及其制备方法，选用材料厚度为30μm的镍箔为例。其制造步骤如下：
步骤一：搭建如图1(a)所示的飞秒激光加工系统，利用柱面镜进行空间整形的飞秒激光对镍箔的正面(上表面)进行大面积扫面处理，在材料正面加工出飞秒激光诱导的表面微纳复合结构(如图2(b)所示)；
步骤二：将飞秒激光光路中的柱面镜替换为聚焦透镜，此时选用平凸透镜为例，在镍箔的反面(下表面)进行图案化的半开孔的加工(如图2(c)所示)；
其中，本发明所使用的飞秒激光器1的激光中心波长800nm，脉冲宽度50fs，最大重复频率1KHz，光强分布为高斯形，出口激光为水平线偏振。步骤一所述利用柱面镜整形的飞秒激光在镍箔上表面进行扫面处理制造表面微纳复合结构，包括如下步骤：
飞秒激光脉冲从飞秒激光器1发出后，依次通过光栅2和衰减片3，随后，通过光学快门4来控制激光的开关。经由反射镜5引入加工所用的柱面镜9。待加工基片6放置在六维平移台8上。飞秒激光经柱面镜进行空间光整形后，相比于普通透镜聚焦的“点聚焦”变为了“线聚焦”。通过计算机控制系统7控制六轴平移台的移动，可以实现线聚焦光斑的移动，平移过程中运动途径为“一”形，从而实现单行移动就满足了大面积加工的需要，在材料正面(上表面)加工出大面积表面周期性结构。
所述激光能量为100-900mW，扫描速度为5-50μm/s的参数范围，用“一”字形对金膜进行扫描，以确保被飞秒激光加工的部分形成表面微纳复合结构。
步骤二所述利用平凸透镜在镍箔的下表面进行半开孔的加工，包括如下步骤：
飞秒激光脉冲从飞秒激光器1发出后，依次通过光栅2和衰减片3，随后，通过光学快门4来控制激光的开关。经由反射镜5引入加工所用的聚焦透镜10(此处为平凸透镜)。待加工基片6放置在六维平移台8上。所述激光能量为20-80mW，扫描速度为10-100μm/s的参数范围，由计算机7控制程序设计飞秒激光加工路线为多种图案，以确保被飞秒激光加工的镍箔部分被飞秒激光穿透，从而形成多种图案的半开孔结构。半开孔结构的尺寸为微米尺度。
实施例2：
本实施例为利用实施例1所示的加工过程加工出的磁控单向输水结构的上下表面几种典型结构的形貌与性能表征。
如图3所示，为利用实施例1步骤一所示的加工过程加工出的磁控单向输水结构正面(上表面)的两种典型结构的扫描电子显微镜图像。
其中图3(a)为选用控制激光能量为200mW，扫描速度为10μm/s所加工出的表面周期性波纹状结构；图3(b)为选用控制激光能量为500mW，扫描速度为10μm/s所加工出的表面凸起-凹坑的微纳复合结构。经飞秒激光加工后的这两种典型表面都是疏水的。
如图4所示，为利用实施例1步骤二所示的加工过程加工出的磁控单向输水结构反面(下表面)的几种典型结构示意图。当步骤二中飞秒激光能量为20-80mW，扫描速度为10-100μm/s的参数范围，由计算机控制程序设计飞秒激光加工路线为多种图案时，能在镍箔反面加工出半开孔结构，如三角形半开孔(图4(a))，矩形半开孔(图4(b))，如圆弧形开孔(图4(c))，梯形半开孔(图4(d))。
如图5所示，为利用实施例1步骤一和步骤二加工过程加工出的磁控单向输水结构的上下表面浸润性的性能表征。图5(a)为上表面经柱面镜整形的飞秒激光，能量为200mW，扫描速度为10μm/s加工出的表面周期性波纹状结构的疏水特性，接触角约为140°；图5(b)为下表面结构加工时飞秒激光能量为30mW，扫描速度为10μm/s的亲水特性，接触角约为55°。
实施例3：
如图6所示，为利用实施例1步骤一、二所示的加工过程加工出的磁控单向输水结构，应用于油水分离过程的示意图。
整个加工与油水分离过程表述如下：
(1)选用材料厚度为30μm的镍箔，在镍箔正面(上表面)利用柱面镜进行了空间整形的飞秒激光，能量为200mW，扫描速度为10μm/s所加工出的表面周期性波纹状结构，这种结构具有疏水性；
(2)将飞秒激光光路中的柱面镜替换为平凸透镜，选用飞秒激光能量为30mW，扫描速度为10μm/s的参数，在镍箔材料的反面(下表面)加工出图案化的矩形半开孔，这一表面由于除了开孔外未经过大面积的处理，因此仍然保留原本光滑抛光镍箔表面的亲水性；
(3)将上述加工好双面的材料上表面向上，下表面向下的方式固定四角，放置在外加磁场可控的环境中。在材料的中心位置紧密链接无底的管，在材料下方放置小烧杯进行集液。将油水混合液加入材料上方的管中。
(4)控制外加磁场，由于镍箔具有磁性，因此在外加磁场的影响下镍箔上经飞秒激光加工出的半开孔结构会掀起一定角度，使原本不透水的镍箔变成了一种过滤膜。具有上下表面不同浸润性的过滤膜材料，由于上表面是疏水的下表面是亲水的，因此由于内部自驱动力的作用，水会从上表面渗透到下表面，而油则不会通过。若此过程中控制外部磁场使半开孔由于磁力作用处于关闭状态则此材料的半开孔属于关闭状态，将会暂停油水分离过程，由此则可以实现磁控的油水分离过程(如图6(a))。
(5)经过油水分离过程后，水会通过磁控打开的半开孔渗透到下方收集水的小烧杯中，油则会残留在上方管中(如图6(b))。此时可以收集下方水，并通过吸取等方式收集上方油。
(6)在油水分离的应用过程中可以较为精确地计算出何时停止，油水分离前期可以打开半开孔，使沉积在下方含油量极低的水快速通过，而在中后期可通过关闭磁场从而控制半开孔闭合，从而阻断含油量高的水从孔内通过。这样含油量低可以达标的水可以直接简单处理后排放。通过这种精确中止过滤、及时收集产物的方法可以提高油水分离效率并且节约成本。
(7)待可控的油水分离过程完毕，装置拆下后经过清洗可以反复利用。也可以对污水利用该结构进行多次重复过滤。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种磁控开关的单向输水结构及其制备方法，其特征在于：为一种材料柔性、可通过磁场控制从而随时控制输水过程的开始与停止的单向输水结构。
2.如权利要求2所述一种磁控开关的单向输水结构及其制备方法，其特征在于：在所述柔性、磁性材料表面加工出半开孔结构，通过施加磁场控制所述半开孔结构的开关，半开孔结构打开时实现水的单向运输，半开孔结构关闭时水停止运输。
3.制备如权利要求1或2所述结构的方法，其特征在于：在柔性、磁性材料一侧表面利用空间整形后的飞秒激光加工出表面微纳复合结构，形成疏水表面；另一侧采用高斯飞秒激光加工出半开孔结构。
4.如权利要求1或2所述一种磁控开关的单向输水结构及其制备方法，其特征在于：将所述结构装置放置于油水混合液容器的出口处，通过磁性控制半开孔的开放，实现水从该结构的疏水侧单向传输到亲水侧，从而实现油水分离的效果；若关闭周围磁场，则可实现半开孔的关闭，停止油水分离过程；通过此方法，则可以实现灵活高效的磁控油水分离，提高分离效率。
5.如权利要求1或2所述一种磁控开关的单向输水结构及其制备方法，其特征在于：所述柔性磁控材料包括：铁箔、钴箔、镍箔，以及含有铁、钴、镍元素的具有磁性的合金箔片；厚度应为十～百微米的尺度。
6.如权利要求3所述方法，其特征在于：空间整形后的飞秒激光的通量范围为0.1-0.4J/cm2；所述表面微纳复合结构包括波纹状的表面周期性结构和不规则的凸起与沟壑组成的微纳复合结构。
7.如权利要求3所述方法，其特征在于：所述高斯飞秒激光的通量范围为1.0-2.0J/cm2。
8.如权利要求3所述方法，其特征在于：所述半开孔结构的单个尺寸应为十～百微米的尺度。
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