CN113927899B - 一种水下微油滴超快跨液面自输运与收集的超疏水装置及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水下微油滴超快跨液面自输运与收集的超疏水装置及其制备方法，所述超疏水装置为多个3D打印的圆锥刺组成的阵列结构，每个圆锥刺的表面具有多个梯度凹槽，各个梯度凹槽在圆锥刺的表面均匀分布；多个圆锥刺的底部组装在海绵基体上；所述圆锥刺的表面经二氧化硅粒子改性为超疏水表面，可实现水下微油滴逆重力超快速地从圆锥刺尖端运输到圆锥刺底端的功能，然后微油滴被收集至海绵基体中。
Description
技术领域
本发明属于材料表面加工及微液滴输运技术领域，更具体地说，本发明涉及一种水下微油滴超快跨液面自输运与收集的超疏水装置及其制备方法。
背景技术
液滴定向输运与收集在微流控芯片、油水分离、液滴操纵等领域具有重要的应用价值和研究意义。液滴驱动主要是通过微观结构形貌及化学异构性实现，由于液滴低表面张力和接触角滞后，使得油滴操纵难度大，如何简便、绿色、高效地将液滴定向输运与收集也是环保机构和工业应用领域等广泛关注和亟待解决的问题。目前，液滴操纵的研究主要集中在以仿生微纳米结构实现低表面张力的液滴定向输运、油水分离等，但对于水下微液滴的超快速定向输运与收集、跨界面输运等功能多样化无法满足，同时存在制备工艺复杂、输运效率低、等特点。
针对上述存在的制备工艺复杂、输运效率低、水下微油滴定向收集与输运、跨液面输运难度大等问题，亟需一种新的思路和方法来解决。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种水下微油滴超快跨液面自输运与收集的超疏水装置，所述超疏水装置为多个圆锥刺组成的阵列结构，每个圆锥刺的表面具有多个梯度凹槽，各个梯度凹槽在圆锥刺的表面均匀分布；多个圆锥刺的底部组装在海绵基体上；
所述圆锥刺的表面经二氧化硅粒子改性为超疏水表面，可实现微油滴逆重力自发快速从圆锥刺尖端运输到圆锥刺底端的功能，然后微油滴被收集至圆锥刺底部连接的海绵基体中。
优选的是，其中，多个圆锥刺的尖端聚拢在一起。
优选的是，其中，多个圆锥刺的中心轴线相互平行。
优选的是，其中，所述海绵基体的表面为经二氧化硅涂层溶液喷涂改性的超疏水表面。
一种水下微油滴超快跨液面自输运与收集的超疏水装置的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、利用C4D软件建立具有梯度凹槽的三维圆锥刺模型，通过投影微粒体光刻3D打印系统制备圆锥刺结构，圆锥刺结构的材料为通过UV固化的HTL树脂；
步骤二、用乙醇和超纯水清洗经步骤一制得的圆锥刺结构，然后利用0.5mm口径的喷枪将二氧化硅涂层溶液喷涂在圆锥刺结构的表面，对圆锥刺结构的表面进行改性，以达到超疏水性。
优选的是，其中，所述步骤一中圆锥刺结构的材料为通过UV固化的HTL树脂，UV紫外线的波长为405nm。
优选的是，其中，所述梯度凹槽的加工数量为2个。
优选的是，其中，所述步骤一中的圆锥刺结构长为15～20mm，顶角为9°。
优选的是，其中，所述步骤三中二氧化硅涂层溶液的制备方法包括：将0.48g的SiO2纳米颗粒溶解在20ml乙醇中，SiO2纳米颗粒大小为14nm，得到混合溶液，将混合溶液在750rpm转速下搅拌2h，然后超声处理20min，形成均匀的二氧化硅涂层溶液。
本发明至少包括以下有益效果：
1、本发明通过研究液滴在独特复合锥刺结构表面的输运速度，实现水下超快逆重力输运与跨液面输运与收集。
2、本发明制备简单，当锥刺带有梯度凹槽时，传输速度较传统圆形无凹槽锥刺明显提升，最大输运速度可达117.9mm/s。此外，本发明的结构可重复利用，在油污处理方面具有重要的应用价值。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明提供的超疏水装置设置为圆锥刺尖端聚拢的结构示意图；
图2为本发明提供的超疏水装置设置为圆锥刺中心轴线相互平行的结构示意图；
图3为本发明圆锥刺的结构示意图；
图4为图3中A-A处的剖面结构示意图；
图5为图3中B-B处的剖面结构示意图；
图6为本发明提供的圆锥刺结构经二氧化硅涂层溶液改性前的表面电镜图；
图7为本发明提供的圆锥刺结构经二氧化硅涂层溶液改性后的表面电镜图；
图8为本发明实施例1带梯度凹槽的圆锥刺结构逆重力定向输运与收集功能图；
图9为本发明实施例3带梯度凹槽的圆锥刺结构跨液面输运与收集功能图；
图10为本发明对比例中未带梯度凹槽的圆锥刺结构水下微油滴输运与收集功能图；
图11为本发明对比例中带梯度凹槽的圆锥刺结构水下微油滴输运与收集功能图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
如图1-2所示：本发明的一种水下微油滴超快跨液面自输运与收集的超疏水装置，所述超疏水装置为多个3D打印的圆锥刺1组成的阵列结构，每个圆锥刺1的表面具有两个梯度凹槽11，两个梯度凹槽11在圆锥刺的表面对称分布，且梯度凹槽11沿圆锥刺1母线方向加工而成；8个圆锥刺的底部组装在海绵基体2上，海绵基体2的表面为经二氧化硅涂层溶液喷涂改性的超疏水表面；
所述圆锥刺的表面经二氧化硅粒子改性为超疏水表面，可实现水下微油滴逆重力自发快速从圆锥刺1尖端运输到圆锥刺1底端的功能，然后微油滴被收集至圆锥刺底部连接的海绵基体2中。图1中的超疏水装置为8个圆锥刺尖端聚拢在一起的设置方式，图2中的超疏水装置设置为8个圆锥刺的中心轴线相互平行。
实施例1
本实施例水下微油滴超快跨液面自输运与收集的超疏水装置的圆锥刺结构如图3所示，该圆锥刺长为15mm，顶角为9°，材料为光固化树脂，圆锥刺结构表面有2个均匀分布的梯度凹槽；
上述圆锥刺结构的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、利用C4D软件建立了具有2个梯度凹槽的三维圆锥刺模型，通过投影微立体光刻3D打印系统制备圆锥刺结构，圆锥刺结构的材料为经过UV固化的HTL树脂，UV紫外线的波长为405nm；
步骤三、用乙醇和超纯水清洗经步骤一制得的圆锥刺结构，利用0.5mm口径喷枪将二氧化硅涂层溶液喷涂在圆锥刺的表面，对圆锥刺表面进行改性，以达到超疏水性；二氧化硅涂层溶液的制备方法包括：将0.48g的SiO2纳米颗粒溶解在20ml乙醇中，SiO2纳米颗粒大小为14nm，得到混合溶液，将混合溶液在750rpm转速下搅拌2h，然后超声处理20min，形成均匀的二氧化硅涂层溶液。
为了验证水下微油滴超快自输运与收集的锥刺状结构的液滴逆重力定向输运效果，通过将步骤三制得的锥刺结构放置在水下，尖端朝下，倾斜角为20°，将6μL的微油滴1,2-二氯乙烷用针管滴在结构尖端，观察其逆重力定向输运速度，图8为圆锥刺结构水下微油滴输运与收集功能图，在水下对微油滴的逆重力定向输运时间为0.092s，微油滴超快速逆重力定向输运至底部并被收集。该结构可重复利用，在油污处理方面具有重要的应用价值。
实施例2
本实施例的水下超快微油滴定向输运与收集的超疏水装置，装置示意图如图1所示，构成该装置的圆锥刺长为15mm，顶角为9°，圆锥刺的材料为光固化树脂，圆锥刺结构表面设置有2个均匀分布的梯度凹槽；
上述装置的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、利用C4D软件建立了具有梯度凹槽的三维圆锥刺模型，通过投影微粒体光刻3D打印系统制备圆锥刺结构，圆锥刺材料为通过UV固化的HTL树脂，UV紫外线的波长为405nm；
步骤二、用乙醇和超纯水清洗经步骤一制得的圆锥刺结构，利用0.5mm口径喷枪将二氧化硅涂层溶液喷涂在圆锥刺的表面，对圆锥刺表面进行改性，以达到超疏水性；
步骤三、将8根经过步骤二处理后的圆锥刺同向分散放置，并将圆锥刺的根部均匀组合在海绵基体的同一平面内，结构如图2所示。
为了验证水下微油滴超快自输运与收集的超疏水装置的液滴逆重力定向输运效果，通过将步骤三制得的装置倒置，使圆锥刺完全浸没在水中(尖部朝下)，从输入管注入1,2-二氯乙烷，该装置开始连续地捕获水下油滴，并将油滴从底部尖端逆重力输运到顶端根部收集。
实施例3
本实施例的微油滴超快跨液面自输运与收集的超疏水装置，构成该装置的圆锥刺长为15mm，顶角为9°，圆锥刺材料为光固化树脂，圆锥刺结构表面有2个均匀分布的梯度凹槽；
上述装置的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、利用C4D软件建立了具有梯度凹槽的三维圆锥刺模型，通过投影微粒体光刻3D打印系统制备圆锥刺结构，圆锥刺材料为通过UV固化的HTL树脂，UV紫外线的波长为405nm；
步骤二、用乙醇和超纯水清洗经步骤一制得的圆锥刺结构，利用0.5mm口径喷枪将二氧化硅涂层溶液喷涂在圆锥刺的表面，对圆锥刺表面进行改性，以达到超疏水性；
步骤三、将8根经步骤二处理后的圆锥刺同向并列放置使尖端紧密排列，并组合在海绵基体的同一平面内，结构如图1所示。
为了验证微油滴超快跨液面自输运与收集的超疏水装置的跨液面定向输运效果，通过将步骤三制得的装置倒置，使锥刺一半没入水中(尖部朝下)，一半留在空气中，从输入管注入含1,2-二氯乙烷，该装置开始捕获水下油滴，并将油滴从底部尖端逆重力，并跨越水和空气液面输运到顶端根部，验证示意图如图9所示。
对比例：
将带梯度凹槽的圆锥刺结构与未带梯度凹槽的圆锥刺结构进行试验对比。圆锥刺结构均放置在水下，尖端倾斜角度为90度，垂直朝下，将6μL微油滴1,2-二氯乙烷用针管滴在圆锥刺结构尖端，对比微油滴的逆重力定向输运速度，图10和图11为对比圆锥刺结构水下微油滴收集与输运功能图，图10为未带梯度凹槽的圆锥刺结构水下微油滴输运与收集功能图，图11为带梯度凹槽的圆锥刺结构水下微油滴输运与收集功能图。
通过对比试验，有梯度凹槽的圆锥刺结构在水下对微油滴的逆重力定向输运时间为1.120s，微油滴被快速输运至底部并收集，无梯度凹槽的圆锥刺结构只将油滴输运至圆锥刺结构中间，运行速度缓慢，并在2.680s以后停止输运。有梯度凹槽的圆形锥刺结构在水下对微油滴的逆重力定向输运速度更快，输运性能更好。
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (2)
1.一种水下微油滴超快跨液面自输运与收集的超疏水装置，其特征在于，所述超疏水装置为多个3D打印的圆锥刺组成的阵列结构，每个圆锥刺的表面具有多个梯度凹槽，各个梯度凹槽在圆锥刺的表面均匀分布；多个圆锥刺的底部组装在海绵基体上；
所述圆锥刺的表面经二氧化硅粒子改性为超疏水表面，可实现微油滴逆重力自发快速从圆锥刺尖端运输到圆锥刺底端的功能，然后微油滴被收集至海绵基体中；
多个圆锥刺的尖端聚拢在一起或多个圆锥刺的中心轴线相互平行；
所述海绵基体的表面为经二氧化硅涂层溶液喷涂改性的超疏水表面；
所述的水下微油滴超快跨液面自输运与收集的超疏水装置的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、利用C4D软件建立具有梯度凹槽的三维圆锥刺模型，通过投影微粒体光刻3D打印系统制备圆锥刺结构；
步骤二、用乙醇和超纯水清洗经步骤一制得的圆锥刺结构，然后利用0.5mm口径的喷枪将二氧化硅涂层溶液喷涂在圆锥刺结构的表面，对圆锥刺结构的表面进行改性，以达到超疏水性；
其特征在于，所述步骤一中圆锥刺结构的材料为通过UV固化的HTL树脂，UV紫外线的波长为405nm；
所述梯度凹槽的加工数量为2个；
二氧化硅涂层溶液的制备方法包括：将0.48g的SiO2纳米颗粒溶解在20ml乙醇中，SiO2纳米颗粒大小为14nm，得到混合溶液，将混合溶液在750rpm转速下搅拌2h，然后超声处理20min，形成均匀的二氧化硅涂层溶液。
2.如权利要求1所述的水下微油滴超快跨液面自输运与收集的超疏水装置的制备方法，其特征在于，所述步骤一中的圆锥刺结构长为15～20mm，顶角为9°。
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