CN114177961A - 一种水下超疏气微纤毛阵列定向气泡输送器及其制备方法和应用 - Google Patents

一种水下超疏气微纤毛阵列定向气泡输送器及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水下超疏气微纤毛阵列定向气泡输送器及其制备方法和应用，属于功能材料及流体控制技术领域。首先对PE板材进行机械打孔，得到具有锥形孔阵列的PE板材；然后利用模板覆型法在锥形孔内分散钴粒子，获得以覆膜层为基底的微纤毛阵列结构体。最后对微纤毛阵列结构体进行表面改性，得到水下超疏气纤维毛阵列定向气泡输送器。水下超疏气微纤毛阵列定向气泡输送器用于水下气泡输运，通过移动磁铁使微纤毛阵列发生弯曲产生凹陷，同时结合磁铁运动过程中气泡边界产生的驱动力作用，实现气泡的定向连续输运。本发明的制备方法简单，水下超疏气机械性能稳定，实现气泡的全方位可控定向连续输运，具有很好的应用前景。

Description

一种水下超疏气微纤毛阵列定向气泡输送器及其制备方法和 应用
技术领域
本发明属于功能材料及流体控制技术领域，具体涉及一种水下超疏气微纤毛阵列定向气泡输送器及其制备方法和应用。
背景技术
水下气泡在废油收集、药物诊断成像、氧气和药物靶向输送等方面都有着广泛的应用前景，并且气泡的自推进或无泵运动也在微流控实验装置的研制和减阻等领域被广泛应用。另一方面，气泡也可能导致工业设备的严重损坏。为了更好的利用气泡以及减少或避免由于气泡存在造成的损害，以及推动微流控技术多样化的发展，对气泡定向操控的研究具有重要的意义。
通过调控水下超疏气磁性微纤毛阵列表面的自身高度、间距和倾斜角度，气泡的体积，磁场强度和移动速度以及溶液酸碱性研究对气泡输运的影响，利用水下超疏气磁性微纤毛阵列表面在磁铁作用下会产生小的凹陷，并且在磁铁运动过程中使微纤毛弯曲产生各向异性支持力的特性，使气泡仅通过水下超疏气磁性微纤毛阵列弯曲产生的凹陷和磁铁运动过程中气泡边界产生的驱动力，即可实现气泡的在多个方向上定向连续输运，并设计合理器件。
发明内容
本发明针对水相环境中气泡定向输运技术的不足，提供一种水下超疏气微纤毛阵列定向气泡输送器及其制备方法和应用。
所述的一种水下超疏气微纤毛阵列定向气泡输送器的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤一，在PE板材上进行机械打孔，得到具有锥形孔阵列的PE板材；
具体的打孔方式为：
利用机械臂向下的冲击力在PE板材上打出一系列规则的锥形孔阵列；
所述机械臂的打孔深度H为1.5mm≤H≤4.0mm，孔间距L为0.5mm≤L≤1.1mm；
所述的PE板材为低密度聚乙烯板材，厚度为3～7mm，长度和宽度均为4cm。
步骤二，对具有锥形孔阵列的PE板材利用模板覆型法分散填充后分离，得到微纤毛阵列；
模板覆型法具体为：
步骤201，将表面积为4cm×4cm的磁铁放置在打孔后的PE板材下方，将平均粒径为2μm金属钴粒子均匀分散在锥形孔内；
步骤202，将质量比为10:1的聚二甲基硅氧烷预聚物和交联剂PDMS混合均匀，得到覆膜液；在锥形孔内分散有钴粒子的基础上，将所述覆膜液浇筑在带有锥形孔阵列的PE板材上方，浸没PE板材2mm，得到第一预成型体；然后将第一预成型体置入真空仪器中，真空抽滤除气2小时后，得到第二预成型体；
步骤203，将第二预成型体水平放置在80℃的烘箱中，加热固化6小时后，取出，得到第三预成型体；所述第三预成型体的层结构为模板PE层与覆膜层。
步骤204，将覆膜层和模板PE层进行分离，即可获得以覆膜层为基底的微纤毛阵列结构体。
步骤三，利用聚多巴胺黏附二氧化硅法对微纤毛阵列结构体进行表面改性，得到水下超疏气微纤毛阵列定向气泡输送器。
表面改性的具体过程为：
首先，采用吊装工艺，将微纤毛阵列结构体固定于挂勾上，并置于多巴胺与正硅酸乙酯的混合溶液中，在搅拌速度为100r/min～200r/min条件下挂涂6小时后，将微纤毛阵列结构体取出，得到第一挂涂结构体；
然后，对第一挂涂结构体依次用乙醇和去离子水冲洗，除去表面未反应的残余物质，得到第二挂涂结构体；
最后，将第二挂涂结构体置于温度为40℃～60℃的干燥箱中烘干30min～120min后，得到具有水下超疏气性质的微纤毛阵列定向气泡输送器。
其中，多巴胺与正硅酸乙酯的混合溶液的制备过程为：
步骤301，将0.121g三(羟甲基)氨基甲烷(Tris)溶于100mL去离子水中，用HCl溶液调节pH值至8.5，得到Tris-HCl缓冲液；
步骤302，将0.2g多巴胺(DA)溶于制得的Tris-HCl缓冲液中，搅拌均匀，得到多巴胺溶液；
步骤303，将0.6g正硅酸乙酯(TEOS)溶于20mL无水乙醇中，得到正硅酸乙酯溶液。
步骤304，将100mL多巴胺溶液与20mL正硅酸乙酯溶液混合均匀，得到多巴胺与正硅酸乙酯的混合溶液。
制备得到的水下超疏气微纤毛阵列定向气泡输送器：基底为2mm厚的覆膜层，微纤毛表面为钴粒子，具有磁响应性能，微纤毛的高度h为1.5mm≤h≤4.0mm，微纤毛阵列相邻两个微纤毛锥体尖端之间的间距l为0.5mm≤l≤1.1mm。
将水下超疏气微纤毛阵列定向气泡输送器用于水下气泡的运输，其输运过程具体为：
首先，将微纤毛阵列定向气泡输送器向上固定在水平玻璃片上，并倒置放置水下，通过注射泵将气泡注射到微纤毛阵列定向气泡输送器下方；
然后，将磁铁放在玻璃片未固定微纤毛阵列定向气泡输送器的一侧上方，从阵列边缘向阵列表面移动，使磁铁逐渐靠近气泡，此时微纤毛阵列由于磁性作用发生弯曲产生凹陷；
最后，气泡会在微纤毛阵列凹陷和磁铁运动过程中气泡边界产生的驱动力作用下，向磁铁运动方向运动，实现了气泡的定向连续输运。
所述磁铁的最大磁感应强度0.37T。
所述输运气泡的直径Dbubble为Dbubble≥2.5l；
所述水下超疏气微纤毛阵列定向气泡输送器在pH为1～13的溶液中均能实现对气泡的定向输运；
所述水下超疏气微纤毛阵列定向气泡输送器在倾斜15°以下时，既能够实现对气泡自下而上输运也能够实现自上而下输运；
所述水下超疏气微纤毛阵列定向气泡输送器在倾斜40°以上时，只能够实现对气泡的自下而上输运，不能够实现自上而下输运。
本发明的优点在于：
1、本发明一种水下超疏气微纤毛阵列定向气泡输送器的制备方法，操作过程简单，原料易得，成本低。
2、本发明一种水下超疏气微纤毛阵列定向气泡输送器，水下超疏气机械性能稳定，不依靠表面结构的浸润性梯度或者几何结构梯度驱动气泡输运，具有输运气泡的即时可控性和位置精度高的特点，可用于气泡的全方位可控定向连续输运，在生产、环保等领域具有广泛应用。
3、本发明一种水下超疏气微纤毛阵列定向气泡输送器，表面的超疏气结构稳定，在不同pH液体中和不同倾斜角度平面上实现了对不同体积气泡的即时、高效、无损且可逆操控，输运结果不受溶液酸碱性的限制。
4、本发明一种水下超疏气微纤毛阵列定向气泡输送器的应用，在生物医疗、环境治理和电化学工程等方面具有很好的前景。
附图说明
图1是本发明实施例1水下超疏气微纤毛阵列定向气泡输送器制备方法的流程示意图；
图2是本发明实施例1制备的水下超疏气微纤毛的SEM图；
图3是本发明实施例1制备的水下超疏气微纤毛阵列定向气泡输送器的水下气泡接触角；
图4是本发明实施例中利用水下超疏气微纤毛阵列定向气泡输送器用于水下气泡输运的过程图；其中图4a是水下气泡输运的实际过程照片，图4b是水下输运气泡的装置原理示意图；
图5是本发明实施例1中用于水下超疏气微纤毛阵列定向气泡输送器输运不同体积气泡的实际输运结果对比图；
图6是本发明实施例1将水下超疏气微纤毛阵列定向气泡输送器在不同酸碱度溶液中进行气泡输运的对比图；其中，图6a是酸性溶液，pH值分别为1、3和5；图6b是碱性溶液，pH值分别为9、11和13；
图7是本发明实施例1中水下超疏气微纤毛阵列定向气泡输送器用于不同角度不同方向气泡输运的对比图；其中，图7a为倾斜15°时自下而上输运气泡，图7b为倾斜15°时自上而下输运气泡，图7c为倾斜40°时自下而上输运气泡，图7d为倾斜40°时自上而下输运气泡。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明提供的一种用于多个方向可控连续输运气泡的水下超疏气微纤毛阵列是由聚二甲基硅氧烷和钴粒子(PDMS and Co MPs)通过简单的机械扎孔、模板覆型法和聚多巴胺黏附二氧化硅法制备的。制备过程中把微纤毛阵列表面放在Tris-HCl、多巴胺和TEOS的混合溶液中反应6小时，即可得到具有优异磁响应性能的水下超疏气微纤毛阵列定向气泡输送器。将微纤毛阵列定向气泡输送器倒置固定在水下，把磁铁放在微纤毛阵列上方时，微纤毛阵列局部区域向磁铁中间弯曲。当磁铁移动时，微纤毛随着外部磁场移动，沿着磁场方向可逆弯曲，气泡随磁铁运动而运动。气泡的运动速度和位置由磁场运动速度控制。
实施例1
如图1所示，实施例1进行水下超疏气微纤毛阵列定向气泡输送器的制备方法，具体步骤如下：
步骤一，在PE板材上进行机械打孔，得到具有锥形孔阵列的PE板材；
具体的打孔方式为：
利用机械臂向下的冲击力在商用的低密度聚乙烯板材(PE)上打出一系列规则的锥形孔阵列。
所用的商用的低密度聚乙烯板材的规格为：厚度为3～7mm，长和宽度为4*4cm。
在本实施例中设定打孔深度分别为0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0，4.5mm；打孔间距分别为0.5，0.6，0.7，0.8，0.9，1.0,1.1，1.2，1.3，1.4，1.5，1.6，2.0mm。
步骤二，对具有锥形孔阵列的PE板材利用模板覆型法分散填充后分离，得到微纤毛阵列；
模板覆型法具体为：
步骤201，将表面积为4cm×4cm的磁铁放置在打孔后的PE板材下方，将200mg平均粒径为2μm的钴粒子(Co MPs)均匀分散在锥形孔内；
步骤202，将5g的聚二甲基硅氧烷预聚物和500mg的交联剂PDMS混合均匀，得到覆膜液；在锥形孔内分散有钴粒子的基础上，将所述覆膜液浇筑在带有锥形孔阵列的PE板材上方，浸没PE板材2mm，得到第一预成型体；然后将第一预成型体置入真空仪器中，真空抽滤除气2小时后，得到第二预成型体；
步骤203，将第二预成型体水平放置在的80℃的烘箱中，加热固化6小时后，取出，得到第三预成型体；所述第三预成型体的层结构为模板PE层与覆膜层。
步骤204，将覆膜层和模板PE层分离，即可获得以覆膜层为基底的微纤毛阵列结构体。
步骤三，利用聚多巴胺黏附二氧化硅法对磁性微纤毛阵列结构体进行表面改性，得到水下超疏气微纤毛阵列定向气泡输送器。
表面改性的具体过程为：
首先，采用吊装工艺，将微纤毛阵列结构体固定于挂勾上，并置于多巴胺与正硅酸乙酯的混合溶液中，在搅拌速度为100r/min～200r/min条件下挂涂6小时后，将微纤毛阵列结构体取出，得到第一挂涂结构体；
然后，对第一挂涂结构体依次用乙醇和去离子水冲洗，除去表面未反应的残余物质，得到第二挂涂结构体；
最后，将第二挂涂结构体置于干燥箱中烘干后，得到具有水下超疏气性质的微纤毛阵列定向气泡输送器。
其中，多巴胺与正硅酸乙酯的混合溶液的制备过程为：
步骤301，将0.121g三(羟甲基)氨基甲烷(Tris)溶于100mL去离子水中，用HCl溶液调节pH值至8.5，得到Tris-HCl缓冲液；
步骤302，将0.2g多巴胺(DA)溶于配制的Tris-HCl缓冲液中，搅拌均匀，得到浓度为2.0mg/mL的多巴胺溶液；
步骤303，将0.6g正硅酸乙酯(TEOS)溶于20mL无水乙醇中，得到正硅酸乙酯溶液。
步骤304，将100mL多巴胺溶液与20mL正硅酸乙酯溶液混合，得到多巴胺与正硅酸乙酯的混合溶液。
本实施例1制备得到的水下超疏气微纤毛阵列定向气泡输送器，如图2所示，可以看出，水下超疏气微纤毛阵列定向气泡输送器具有粗糙的微/纳米复合结构；如图3所示，测得实施例1所得的水下超疏气微纤毛阵列定向气泡输送器的水下气泡接触角为151.2°±1.5°，在输运过程中使气泡不会黏附在纤毛表面，为实现气泡的无损输运提供条件。
将本实施例1获得的水下超疏气微纤毛阵列定向气泡输送器用于水下气泡的运输，其输运过程具体为：
首先，将微纤毛阵列定向气泡输送器向上固定在水平玻璃片上，并倒置放置水下，通过注射泵将气泡注射到微纤毛阵列表面下方；
然后，将钕铁硼磁铁(最大磁感应强度0.37T)放在玻璃片未固定纤毛阵列表面的一侧上方，从阵列边缘向阵列表面移动，使磁铁逐渐靠近气泡，此时微纤毛阵列由于磁性作用发生弯曲产生凹陷；
最后，气泡会在微纤毛阵列凹陷和磁铁运动过程中气泡边界产生的驱动力作用下，向磁铁运动方向运动，实现了气泡的定向连续输运。
具体的，如图4a和图4b所示，初始时气泡位于微纤毛阵列的左侧，当磁铁靠近后，微纤毛阵列弯曲产生凹陷；当磁铁向右移动，则气泡在凹陷和磁铁运动过程中气泡边界产生的驱动力作用下也向右侧移动，直至到达微纤毛阵列的右侧边缘；当磁铁向左移动，带动气泡又回到初始位置。整个气泡输运过程不超过7s，对气泡输运更高效，输运过程中气泡移动方向完全可控，实现了气泡的无损输运。
利用实施例1获得的水下超疏气微纤毛阵列定向气泡输送器输运不同体积的气泡，如图5所示，气泡直径从左到右分别为微纤毛阵列间距的2.5倍、3倍、4倍、5倍、6倍和7倍，图中上下分别为气泡位于初始位置和气泡输运后位置，从图中可以看出，本实施例1所得水下超疏气微纤毛阵列对以上所有体积的气泡都具有良好的输运效果。
利用实施例1获得的水下超疏气微纤毛阵列定向气泡输送器在不同酸碱度的溶液中进行气泡输运，如图6所示，当在酸性溶液中时，如图6a所示，溶液pH分别为1、3和5，对于同样体积的气泡，输运效果没有差别；同样的，当在碱性溶液中时，如图6b所示，溶液pH值分别为9、11和13，对于同样体积的气泡，输运效果没有差别。由以上对比可知，本发明制备的水下超疏气微纤毛阵列定向气泡输送器对于气泡输运的效果不受所在溶液酸碱度的影响。
将实施例1获得的水下超疏气微纤毛阵列定向气泡输送器在倾斜不同角度时从不同方向对气泡进行输运，如图7所示，其中当倾斜15°，沿斜面自下向上进行气泡输运，如图7a所示，气泡可以输运至斜面上沿；如图7b所示，当倾斜15°，并沿斜面自上向下进行气泡输运时，气泡可以输运至斜面下沿。如图7c所示，当倾斜40°，沿斜面自下向上进行输运气泡时，气泡可以输运至斜面上沿；如图7d所示，当倾斜40°，并沿斜面自上向下进行气泡输运时，气泡无法移动。由此可得，水下超疏气微纤毛阵列定向气泡输送器在倾斜15°及以下时，既能够实现对气泡自下而上输运也能够实现自上而下输运；水下超疏气微纤毛阵列定向气泡输送器在倾斜40°及以上时，只能够实现对气泡的自下而上输运，不能够实现自上而下输运。

Claims (9)

1.一种水下超疏气微纤毛阵列定向气泡输送器的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤一，在PE板材上进行机械打孔，得到具有锥形孔阵列的PE板材；
具体的打孔方式为：
利用机械臂向下的冲击力在PE板材上打出一系列规则的锥形孔阵列；
所述机械臂的打孔深度H为1.5mm≤H≤4.0mm，孔间距L为0.5mm≤L≤1.1mm；
步骤二，对具有锥形孔阵列的PE板材利用模板覆型法分散填充后分离，得到微纤毛阵列；
模板覆型法具体为：
步骤201，将与PE板材表面积相同的磁铁放置在打孔后的PE板材下方，将平均粒径为2μm的金属钴粒子均匀分散在锥形孔内；
步骤202，将质量比为10:1的聚二甲基硅氧烷预聚物和交联剂PDMS混合均匀，得到覆膜液；在锥形孔内分散有钴粒子的基础上，将所述覆膜液浇筑在带有锥形孔阵列的PE板材上方，浸没PE板材2mm，得到第一预成型体；然后将第一预成型体置入真空仪器中，真空抽滤除气2小时后，得到第二预成型体；
步骤203，将第二预成型体水平放置在80℃的烘箱中，加热固化6小时后，取出，得到第三预成型体；所述第三预成型体的层结构为模板PE层与覆膜层；
步骤204，将覆膜层和模板PE层进行分离，获得以覆膜层为基底的微纤毛阵列结构体；
步骤三，利用聚多巴胺黏附二氧化硅法对微纤毛阵列结构体进行表面改性，得到水下超疏气纤维毛阵列定向气泡输送器；
表面改性的具体过程为：
首先，采用吊装工艺，将微纤毛阵列结构体固定于挂勾上，并置于多巴胺与正硅酸乙酯的混合溶液中，在搅拌速度为100r/min～200r/min条件下挂涂6小时后，将微纤毛阵列结构体取出，得到第一挂涂结构体；
然后，对第一挂涂结构体依次用乙醇和去离子水冲洗，除去表面未反应的残余物质，得到第二挂涂结构体；
最后，将第二挂涂结构体置于温度为40℃～60℃的干燥箱中烘干30min～120min后，得到具有水下超疏气性质的微纤毛阵列定向气泡输送器。
2.根据权利要求1所述的一种水下超疏气微纤毛阵列定向气泡输送器的制备方法，其特征在于，所述的PE板材为低密度聚乙烯板材，厚度为3～7mm，长度和宽度均为4cm。
3.根据权利要求1所述的一种水下超疏气微纤毛阵列定向气泡输送器的制备方法，其特征在于，所述的多巴胺与正硅酸乙酯的混合溶液的制备过程为：
步骤301，将0.121g三(羟甲基)氨基甲烷溶于100mL去离子水中，用HCl溶液调节pH值至8.5，得到Tris-HCl缓冲液；
步骤302，将0.2g多巴胺溶于制得的Tris-HCl缓冲液中，搅拌均匀，得到多巴胺溶液；
步骤303，将0.6g正硅酸乙酯溶于20mL无水乙醇中，得到正硅酸乙酯溶液；
步骤304，将100mL多巴胺溶液与20mL正硅酸乙酯溶液混合均匀，得到多巴胺与正硅酸乙酯的混合溶液。
4.根据权利要求1所述的制备方法得到的一种水下超疏气微纤毛阵列定向气泡输送器，其特征在于，基底为2mm厚的覆膜层，微纤毛表面为钴粒子，具有磁响应性能；微纤毛的高度h为1.5mm≤h≤4.0mm，微纤毛阵列相邻两个微纤毛锥体尖端之间的间距l为0.5mm≤l≤1.1mm。
5.根据权利要求1所述的制备方法得到的一种水下超疏气微纤毛阵列定向气泡输送器用于水下气泡的运输，其特征在于，气泡输运过程具体为：
首先，将微纤毛阵列表面向上固定在水平玻璃片上，并倒置放置水下，通过注射泵将气泡注射到微纤毛阵列表面下方；
然后，将磁铁放在玻璃片未固定纤毛阵列表面的一侧上方，从阵列边缘向阵列表面移动，使磁铁逐渐靠近气泡，此时微纤毛阵列由于磁性作用发生弯曲产生凹陷；
最后，气泡会在微纤毛阵列凹陷和磁铁运动过程中气泡边界产生的驱动力作用下，向磁铁运动方向运动，实现了气泡的定向连续输运。
6.根据权利要求5所述的水下气泡的运输，其特征在于，所述磁铁的最大磁感应强度0.37T。
7.根据权利要求5所述的水下气泡的运输，其特征在于，所述气泡的直径Dbubble为Dbubble≥2.5l。
8.根据权利要求5所述的水下气泡的运输，其特征在于，所述水下超疏气微纤毛阵列定向气泡输送器在pH为1～13的溶液中均能实现对气泡的定向输运。
9.根据权利要求5所述的水下气泡的运输，其特征在于，所述水下超疏气微纤毛阵列定向气泡输送器在倾斜15°以下时，既能够实现对气泡自下而上输运也能够实现自上而下输运；
水下超疏气微纤毛阵列定向气泡输送器在倾斜40°以上时，只能实现对气泡的自下而上输运，不能够实现自上而下输运。
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