CN117464167B - 一种激光加工的仿生多梯度分流器及其加工方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光加工的仿生多梯度分流器及其加工方法和应用，属于用激光束加工及液体分离技术领域，该仿生多梯度分流器为上下对称结构，从左至右分别为矩形微通道尾部平台、楔形梯度微通道平台和液滴承载平台；其中，矩形微通道尾部平台和楔形梯度微通道平台的上下表面设有均匀分布的纵向平行沟槽；楔形梯度微通道平台的上下表面设有三级阶梯结构，三级阶梯结构的高度从左至右依次递减；液滴承载平台位于楔形梯度微通道平台的楔形角端，且楔形角部分插入液滴承载平台。本发明采用飞秒激光加工方式，利用仿生学原理，制备过程简单，结构可精确调控，得到的仿生多梯度分流器能够实现有机多相液体的精准分离，且可组合使用，可多次重复使用。
Description
技术领域
本发明属于用激光束加工及液体分离技术领域，更具体地说，本发明涉及一种激光加工的仿生多梯度分流器及其加工方法和应用。
背景技术
多相液体混合物广泛应用于石油化工，纺织印刷，食品和医疗行业。这些复杂的液体混合物通常必须分离以用于产物纯化、资源循环或无害排放的目的。在过去十年中，已经成功地制备了具有特殊润湿性(超疏水性或超疏油性)的材料，并在实际应用于分离油/水混合物，例如纳米纤维纺织品、网基底材料、海绵基底材料等。然而，仅仅简单的油水分离系统不能满足实际工业过程中对于复杂液体混合物的分离处理要求。事实上，由于工业污染物的多样化，对于有机液体混合物的分离不仅能防止环境的二次污染，而且还可提高有机液体的循环利用，如何有效地分离收集有机液体混合物是备受环保机构以及油矿工业关注的重要问题。因此，提出一种高效、环保的分离方法具有重要意义。
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。
为了实现本发明的这些目的和其它优点，提供了一种激光加工的仿生多梯度分流器，所述仿生多梯度分流器为上下对称结构，从左至右分别为矩形微通道尾部平台、楔形梯度微通道平台和液滴承载平台；
所述矩形微通道尾部平台和楔形梯度微通道平台的上下表面设有微通道结构，所述微通道结构为均匀分布的纵向平行沟槽；
所述楔形梯度微通道平台的上下表面设有三级阶梯结构，所述三级阶梯结构从左至右依次为第一级阶梯、第二级阶梯、第三级阶梯，第一级阶梯和矩形微通道尾部平台相连且高度相同，所述三级阶梯结构的高度从左至右依次递减；
所述液滴承载平台位于楔形梯度微通道平台的楔形角端，且所述楔形梯度微通道平台的楔形角部分插入液滴承载平台。
优选的是，所述仿生多梯度分流器的高度为0.8～1.2mm，材质为亚克力。
优选的是，所述矩形微通道尾部平台的长度为3～4mm，宽度为1～2mm；所述楔形梯度微通道平台的长度为12～18mm，楔形角度为3～11°，更优选楔形角度为9°；所述液滴承载平台的形状包括矩形、扇形、圆形中的任意一种，楔形梯度微通道平台的楔形角插入液滴承载平台的部分长度为4～5mm。
优选的是，所述均匀分布的纵向平行沟槽的深度为0.06～0.08mm，沟槽中心间距为0.03～0.06mm；所述三级阶梯结构的相邻阶梯的高度差为0.03～0.05mm，每级阶梯的长度为4～6mm。
优选的是，所述液滴承载平台的形状为矩形时，其长度为6～7mm，宽度为2～3mm；所述液滴承载平台的形状为扇形时，其半径为6～7mm，扇形角度大于楔形角度；所述液滴承载平台的形状为圆形时，其半径为4～5mm。
一种如上所述的仿生多梯度分流器的激光加工方法，包括以下步骤：
步骤一、利用飞秒激光在厚度为0.8～1.2mm的亚克力板上表面左端加工出具有均匀分布的纵向平行沟槽的矩形微通道表面，然后从左至右依次加工出三级阶梯结构的具有均匀分布的纵向平行沟槽的楔形微通道表面，得到楔形梯度微通道表面；
步骤二、将亚克力板上下翻转180°，采用与步骤一中相同的加工方法与参数，对亚克力板下表面进行加工，得到与上表面相同的矩形微通道表面和楔形梯度微通道表面；
步骤三、利用飞秒激光从亚克力板上切割出矩形微通道尾部平台、楔形梯度微通道平台以及在该楔形梯度微通道平台的楔形角周围保留部分亚克力板作为液滴承载平台，得到激光加工的仿生多梯度分流器。
优选的是，所述飞秒激光的功率为200～350mW，更优选飞秒激光的功率为250mW，扫描速度为0.004～0.006mm/s，激光光斑直径为18～22μm。
一种如上所述的激光加工的仿生多梯度分流器的应用，其特征在于，将矩形微通道尾部平台插入亲脂海绵中固定，在液滴承载平台上方连续不断滴入混合液滴，液滴的分离会在仿生多梯度分流器的上表面进行，表面张力较小的液滴会优先运输至矩形微通道尾部平台被亲脂海绵吸收，表面张力较大的液滴会钉扎在液滴承载平台，当上表面无法承载更多混合液滴时，部分液滴会从液滴承载平台边界转到下表面，上下表面同时分离混合液滴。
优选的是，所述混合液滴为具有表面张力差异的两种不互溶有机溶剂液体。
优选的是，具有表面张力差异的两种不互溶有机溶剂液体包括：正辛烷和乙二醇、甲醇和环己烷、甲醇和全氟辛烷、甲醇和煤油。
本发明还提供了一种有机液体分离装置，所述有机液体分离装置由2～8个激光加工的仿生多梯度分流器组成，各所述仿生多梯度分流器共用一个圆形液滴承载平台，且各所述仿生多梯度分流器围绕液滴承载平台周向均匀分布。
本发明至少包括以下有益效果：本发明提供了一种激光加工的仿生多梯度分流器及其加工方法和应用，结合具有出色液滴收集能力的楔形仙人掌刺和具有平行微通道的水稻叶片，融合两种结构后再增加了纵深方向的阶梯结构，能够更好的分离混合液滴。本发明基于液体的表面张力不同，从而在结构中受到的力不同，这里的力包括由拉普拉斯压力和毛细力构成的驱动力，滞后力和重力沿运动方向相反的分力构成的阻力，驱动力大于滞后力时，液滴会运输至矩形微通道尾部平台，驱动力小于滞后力时，液滴不会运输，从而实现混合液滴的快速分离。本发明采用飞秒激光加工方式，制备过程简单，成本低廉，结构可精确调控，且该分流器可组合使用，可多次重复使用，在有机液体分离领域具有重要应用价值。
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为本发明的激光加工的仿生多梯度分流器的概念设计图(a)和混合液滴分离示意图(b)；
图2为本发明的一种激光加工的仿生多梯度分流器的结构示意图；
图3为本发明的激光加工的仿生多梯度分流器的加工示意图；
图4为本发明实施例1的激光加工的仿生多梯度分流器的微通道结构电镜图(a)和阶梯结构电镜图(b)；
图5为本发明实施例1的激光加工的仿生多梯度分流器对混合液滴连续滴液下的分离实验图；
图6为对比例的SRM对混合液滴连续滴液下的分离实验图；
图7为对比例的SWM对混合液滴连续滴液下的分离实验图；
图8为对比例的SS对混合液滴连续滴液下的分离实验图；
图9为不同沟槽中心间距(10～100μm)下激光加工的仿生多梯度分流器的液滴运输速度对比图；
图10为不同激光功率(50～500mW)下激光加工的仿生多梯度分流器的液滴运输速度对比图；
图11为不同液滴体积(3μL、5μL、10μL)和不同楔形角度(3～11°)下激光加工的仿生多梯度分流器的液滴运输速度对比图；
图12为不同倾斜角度下激光加工的仿生多梯度分流器的液滴运输速度的实验过程图，其中，(a)为倾斜20°，(b)为水平放置(0°)，(c)为倾斜-20°；
图13为不同倾斜角度(20°、0°、-20°)下激光加工的仿生多梯度分流器的液滴运输速度对比图；
图14为一个月内混合液滴在激光加工的仿生多梯度分流器上的分离效率；
图15为250次胶带撕裂循环后混合液滴在激光加工的仿生多梯度分流器上的分离效率；
图16为本发明的一种有机液体分离装置的结构示意图；
图17为本发明实施例2的有机液体分离装置的实物照片；
图18为本发明实施例2的有机液体分离装置分离混合液滴的实验过程；
图19为不同仿生多梯度分流器数量(2、4、8个)的有机液体分离装置对不同体积液滴(20μL、200μL)的分离时间；
图20为本发明的有机液体分离装置的一种液滴分离收集方式；
图中，1-矩形微通道尾部平台；2-楔形梯度微通道平台；3-液滴承载平台；21-第一级阶梯；22-第二级阶梯；23-第三级阶梯。
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。
图1示出了本发明的激光加工的仿生多梯度分流器的概念设计图(a)和混合液滴分离示意图(b)。图1(a)可以看出本发明的设计灵感来自具有出色液滴收集能力的楔形仙人掌刺和具有平行微通道的水稻叶片，融合两种结构后再增加了纵深方向的阶梯结构，得到楔形梯度微通道结构；图1(b)可以看出在液滴承载平台上方连续不断滴入混合液滴，液滴的分离会在分流器的上表面进行，表面张力较小的液滴会运输至尾部平台，表面张力较大的液滴会钉扎在液滴承载平台，当上表面无法承载更多混合液滴时，部分液滴会从液滴承载平台边界转到下表面，从而实现上下表面同时分离混合液滴。
实施例1
一种激光加工的仿生多梯度分流器，如图2所示，该仿生多梯度分流器为上下对称结构，从左至右分别为矩形微通道尾部平台1、楔形梯度微通道平台2和液滴承载平台3；其中，矩形微通道尾部平台1和楔形梯度微通道平台2的上下表面设有微通道结构，所述微通道结构为均匀分布的纵向平行沟槽；楔形梯度微通道平台2的上下表面设有三级阶梯结构，所述三级阶梯结构从左至右依次为第一级阶梯(21)、第二级阶梯(22)、第三级阶梯(23)，第一级阶梯21和矩形微通道尾部平台1相连且高度相同，三级阶梯结构的高度从左至右依次递减；液滴承载平台3为矩形，位于楔形梯度微通道平台2的楔形角端，且所述楔形梯度微通道平台2的楔形角部分插入液滴承载平台3。
上述仿生多梯度分流器的激光加工方法如图3所示，包括以下步骤：
步骤一、利用飞秒激光(功率为250mW、扫描速度0.005mm/s，光斑直径为20μm)在厚度为1mm的亚克力板上表面左端加工出具有均匀分布的纵向平行沟槽的矩形微通道表面，矩形微通道表面的长度为3.5mm、宽度为1.3mm，然后从左至右依次加工出具有高度递减的第一、第二、第三级阶梯结构的楔形梯度表面，楔形梯度表面加工出均匀分布的纵向平行沟槽，得到楔形梯度微通道表面；其中，楔形角度为9°，楔形梯度微通道表面长度为15mm，每级阶梯结构长度为5mm，相邻阶梯的高度差为0.04mm，沟槽的深度为0.07mm，沟槽中心间距为0.05mm；
步骤二、将亚克力板上下翻转180°，采用与步骤一中相同的加工方法与参数，对亚克力板下表面进行加工，得到与上表面相同的矩形微通道表面和楔形梯度微通道表面；
步骤三、利用飞秒激光从亚克力板上切割出矩形微通道尾部平台、楔形梯度微通道平台，在楔形梯度微通道平台的楔形角周围保留长度为6.5mm、宽度为2.3mm的矩形亚克力板作为液滴承载平台，其中楔形梯度微通道平台的楔形角插入液滴承载平台的部分的长度为4.4mm，得到激光加工的仿生多梯度分流器(SWGM)。
对本实施例的激光加工的仿生多梯度分流器进行扫描电镜表征，其中微通道结构的电镜图如图4(a)所示，阶梯结构的电镜图如图4(b)所示。
对比例
按照实施例1中的加工方法，制备得到矩形微通道模型(SRM)、楔形微通道模型(SWM)和光滑楔形模型(SS)。所述矩形微通道模型(SRM)与SWGM相比，将楔形改变为矩形，没有阶梯结构，其余保持不变；所述楔形微通道模型(SWM)与SWGM相比，仅没有阶梯结构，其余保持不变；所述光滑楔形模型(SS)与SWGM相比，没有阶梯结构和微通道结构，其余保持不变。
混合液滴分离实验：将矩形微通道尾部平台插入亲脂海绵中固定，保持水平放置，在液滴承载平台上方连续滴入乙二醇(表面张力为48.25mN/m)和正辛烷(表面张力为21.43mN/m)的混合液滴，其中乙二醇和正辛烷的体积比为1:1，每次滴入液滴体积为10μL，液滴的分离会在仿生多梯度分流器的上表面进行，表面张力较小的正辛烷会快速运输至矩形微通道尾部平台被亲脂海绵吸收，表面张力较大的乙二醇会钉扎在液滴承载平台，接着从液滴承载平台滴落到下方容器中，当上表面无法承载更多混合液滴时，部分液滴会从液滴承载平台边界转到下表面，从而实现上下表面同时分离混合液滴。
图5～图8为实施例1的SWGM与对比例的SRM、SWM、SS对混合液滴连续滴液下的分离实验图。可以看出，图6中矩形微通道模型(SRM)具有一定的液滴运输能力，但是无法分离乙二醇和正辛烷；图7中楔形微通道模型(SWM)的液滴运输速度快，但是无法分离乙二醇和正辛烷；图8中光滑楔形模型(SS)的液滴运输速度慢，且无法分离乙二醇和正辛烷；而图5中激光加工的仿生多梯度分流器(SWGM)能够快速的运输表面张力小的正辛烷液滴至尾部平台被亲脂海绵吸收，实现正辛烷与乙二醇的快速分离。
为了评价沟槽中心间距对本发明的激光加工的仿生多梯度分流器的液滴运输速度的影响，设计了对比实验，测试了沟槽中心间距在10～100μm的激光加工的仿生多梯度分流器的液滴运输速度，结果如图9所示。可以看出，沟槽中心间距在30～50μm范围内，液滴运输速度最快，均达到210mm/s，随着间距的增大，液滴运输速度逐渐降低。
为了评价飞秒激光的功率对本发明的激光加工的仿生多梯度分流器的液滴运输速度的影响，设计了对比实验，测试了飞秒激光功率在50～500mW的激光加工的仿生多梯度分流器的液滴运输速度，结果如图10所示。可以看出，飞秒激光功率在200～350mW范围内时，液滴运输速度较快，其中，250mW时最快，达到240mm/s。
为了评价不同液滴体积和不同楔形角度对本发明的激光加工的仿生多梯度分流器的液滴运输速度的影响，设计了对比实验，测试了液滴体积在3～10μL和楔形角度在3～11°的激光加工的仿生多梯度分流器的液滴运输速度，结果如图11所示。可以看出，随着楔形角度的增大，不同体积液滴的运输速度均有所上升，楔形角度11°时，5μL、10μL体积液滴的运输最快，但是3μL体积液滴的运输速度最慢；楔形角度为9°时，对不同体积的液滴的运输速度到达最优。
为了评价不同倾斜角度对本发明的激光加工的仿生多梯度分流器的液滴运输速度的影响，设计了对比实验，实验过程如图12所示，测试了三种倾斜角度(抬高仿生多梯度分流器的液滴承载平台与水平面夹角为20°(a)、水平放置与水平面夹角为0°(b)、抬高仿生多梯度分流器的矩形微通道尾部平台与水平面夹角为-20°(c))下的激光加工的仿生多梯度分流器的液滴运输速度，结果如图13所示，倾斜角度-20℃时，即抬高仿生多梯度分流器的矩形微通道尾部平台时，激光加工的仿生多梯度分流器的液滴运输速度最快。
为了评价本发明的激光加工的仿生多梯度分流器的重复使用性和稳定性，设计了对比实验，测试在一个月内混合液滴在不同倾斜角度(20°、0°、-20°)的SWGM上的分离效率，结果如图14所示；对SWGM上的微通道表面进行多次胶带撕裂，测试混合液滴在不同倾斜角度(20°、0°、-20°)的SWGM上的分离效率，结果如图15所示；其中，分离效率(％)＝分离得到的乙二醇体积/混合液滴中的乙二醇体积×100％，10μL混合液滴中乙二醇的体积为5μL。从图14可以看出，在一个月内，在不同倾斜角度下，SWGM对混合液滴的分离效率变化不大，均保持在95％以上；从图15可以看出，经过250次胶带撕裂循环，SWGM对混合液滴的分离效率依然保持在95％以上。综上所述，本发明的激光加工的仿生多梯度分流器具有优异的重复使用性和稳定性。
实施例2
一种有机液体分离装置，结构如图16所示，该有机液体分离装置由8个激光加工的仿生多梯度分流器组成，各仿生多梯度分流器共用一个圆形液滴承载平台，且各仿生多梯度分流器围绕液滴承载平台周向均匀分布，其余加工方法与实施例1相同。
本实施例的有机液体分离装置的实物照片如图17所示。
对本实施例的有机液体分离装置进行混合液滴分离实验，具体实验过程如图18所示，正辛烷运输至各仿生多梯度分流器尾部被亲脂海绵吸收，表面张力较大的乙二醇液滴钉扎在液滴承载平台，接着从液滴承载平台滴落到下方烧杯中；图19对比了不同仿生多梯度分流器数量(2、4、8个)的有机液体分离装置对不同体积液滴(20μL、200μL)的分离时间，可以看出，仿生多梯度分流器数量越多，液滴分离时间越短。
此外，本发明还可以在有机分离装置尾部平台下方设置环形收集器替代亲脂海绵用于收集液滴，如图20所示。
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 (7)
1.一种激光加工的仿生多梯度分流器，其特征在于，所述仿生多梯度分流器为上下对称结构，从左至右分别为矩形微通道尾部平台、楔形梯度微通道平台和液滴承载平台；
所述矩形微通道尾部平台和楔形梯度微通道平台的上下表面设有微通道结构，所述微通道结构为均匀分布的纵向平行沟槽；
所述楔形梯度微通道平台的上下表面设有三级阶梯结构，所述三级阶梯结构从左至右依次为第一级阶梯、第二级阶梯、第三级阶梯，第一级阶梯和矩形微通道尾部平台相连且高度相同，所述三级阶梯结构的高度从左至右依次递减；
所述液滴承载平台位于楔形梯度微通道平台的楔形角端，且所述楔形梯度微通道平台的楔形角部分插入液滴承载平台；
所述矩形微通道尾部平台的长度为3~4mm，宽度为1~2mm；所述楔形梯度微通道平台的长度为12~18mm，楔形角度为3~11°；所述液滴承载平台的形状包括矩形、扇形、圆形中的任意一种，楔形梯度微通道平台的楔形角插入液滴承载平台的部分长度为4~5mm；
所述液滴承载平台的形状为矩形时，其长度为6~7mm，宽度为2~3mm；所述液滴承载平台的形状为扇形时，其半径为6~7mm，扇形角度大于楔形角度；所述液滴承载平台的形状为圆形时，其半径为4~5mm；
所述均匀分布的纵向平行沟槽的深度为0.06~0.08mm，沟槽中心间距为0.03~0.06mm；所述三级阶梯结构的相邻阶梯的高度差为0.03~0.05mm，每级阶梯的长度为4~6mm。
2.如权利要求1所述的一种激光加工的仿生多梯度分流器，其特征在于，所述仿生多梯度分流器的高度为0.8~1.2mm，材质为亚克力。
3.一种如权利要求1所述的仿生多梯度分流器的激光加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、利用飞秒激光在厚度为0.8~1.2mm的亚克力板上表面左端加工出具有均匀分布的纵向平行沟槽的矩形微通道表面，然后从左至右依次加工出三级阶梯结构的具有均匀分布的纵向平行沟槽的楔形微通道表面，得到楔形梯度微通道表面；
步骤二、将亚克力板上下翻转180°，采用与步骤一中相同的加工方法与参数，对亚克力板下表面进行加工，得到与上表面相同的矩形微通道表面和楔形梯度微通道表面；
步骤三、利用飞秒激光从亚克力板上切割出矩形微通道尾部平台、楔形梯度微通道平台以及在该楔形梯度微通道平台的楔形角周围保留部分亚克力板作为液滴承载平台，得到激光加工的仿生多梯度分流器。
4.如权利要求3所述的仿生多梯度分流器的激光加工方法，其特征在于，所述飞秒激光的功率为200~350mW，扫描速度为0.004~0.006mm/s，激光光斑直径为18~22μm。
5.一种如权利要求1~2任一项所述的激光加工的仿生多梯度分流器的应用，其特征在于，将矩形微通道尾部平台插入亲脂海绵中固定，在液滴承载平台上方连续不断滴入混合液滴，液滴的分离会在仿生多梯度分流器的上表面进行，表面张力小的液滴会优先运输至矩形微通道尾部平台被亲脂海绵吸收，表面张力大的液滴会钉扎在液滴承载平台，当上表面无法承载更多混合液滴时，部分液滴会从液滴承载平台边界转到下表面，上下表面同时分离混合液滴。
6.如权利要求5所述的激光加工的仿生多梯度分流器的应用，其特征在于，所述混合液滴为具有表面张力差异的两种不互溶有机溶剂液体。
7.一种如权利要求1~2任一项所述的激光加工的仿生多梯度分流器的应用，其特征在于，组合制成一种有机液体分离装置，所述有机液体分离装置由2~8个激光加工的仿生多梯度分流器组成，各所述仿生多梯度分流器共用一个圆形液滴承载平台，且各所述仿生多梯度分流器围绕液滴承载平台周向均匀分布。
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