CN214714523U - 光驱动主动式油水分离装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种光驱动主动式油水分离装置，包括船体，船体为超亲油泡沫铜材料制成，表面涂覆有超疏水层；船体前部的两侧以及尾部均安装有长条形弯曲的液晶膜材料；液晶膜材料的一端固定在船体上，另一端固定连接超疏水片；还包括红外发射器，通过红外光控制液晶膜材料的变形。本发明用于主动式的油水分离过程，即该智能器件能够有目的性的通过改变自身的方向和运动方式实现对不同油污的定向清除过程。
Description
技术领域
本实用新型属于油水分离技术领域，具体涉及一种光驱动主动式油水分离装置。
背景技术
传统的油水分离技术包括吸附法、离心法、焚烧法等，但是这些方法可能会受到诸多技术的限制以及较低的油水分离效率，甚至可能产生二次污染。近年来，超浸润材料的制备与发展引起了科研工作者的广泛关注，他们进一步将此材料应用于油水分离，如早在2004年，中科院化学所江雷院士课题组制备一种超疏水-超亲油的不锈钢网，并将其首次应用于油水分离，之后，利用超浸润性质实现油水分离材料的制备也越来越引起了广大科研工作者的关注，并发展了不同种类的油水分离材料，如超亲水-超亲油材料，超亲水-水下超疏油材料、超亲油-油下超疏水材料等。但是上述提及到的不同类型的油水分离材料，在油水分离过程中，仅仅是作为一种膜材料，其主要是利用材料表面对油和水的浸润性差异实现油水分离的，是一种被动式的油水分离。而在现实的油水分离过程中，油污会分散到不同的区域，如何实现油污的定向、可控清除是当前面临的主要技术难题。
Micromachines 2018,9(1),23，公布了武汉理工大学官建国老师，利用聚乙烯醇泡沫作为宏观马达主体，其主体尺寸为10mm×3mm×3mm，通过将马达尾部浸入到硬脂酸和樟脑的混合溶液中，在80摄氏度下烘干，得到尾部含有樟脑分子的马达，将此马达放入水中，樟脑会在水中溶解，造成局部水域表面张力降低，而前后的表面张力差会推动马达做无规运动，而假如马达恰好运动到油滴附近时，能够将附近的油滴清除。
上述所使用的马达是一种无规运动，在无规运动过程中马达可能无法精准的运动到油滴位置，不能实现油污的清除，以此导致的油污清除效率较低。
另外地，樟脑溶解在水中推动马达的运动是一种马兰格尼效应驱使的运动，在运动过程中，溶液中的表面张力会逐渐趋向于统一，从而导致马达在运动一段时间后即停止，甚至可能无法实现油污的清除，油污清除效率较低。
实用新型内容
针对上述技术问题，本实用新型提供一种光驱动主动式油水分离装置，通过将超疏水-超亲油基体与光致变形晶体材料相结合，并对其进行非对称组装，利用红外激光远程照射，可使不同位置的晶体材料发生形变，以此来驱动器件的运动-停止-拐弯等复杂运动，有目的性的到达油污位置，进而实现油污的定向高效清除，实现了主动油水分离材料的制备，同时也丰富和发展了油水分离材料的应用。
具体的技术方案为：
光驱动主动式油水分离装置，包括船体，船体为超亲油泡沫铜材料制成，表面涂覆有超疏水层；船体前部的两侧以及尾部均安装有长条形弯曲的液晶膜材料；液晶膜材料的一端固定在船体上，另一端固定连接超疏水片；
还包括红外发射器，通过红外光控制液晶膜材料的变形。
所述的液晶膜材料包括下基板和上基板，上基板涂覆水平取向剂膜，下基板涂覆垂直取向剂膜；下基板和上基板有膜的一侧面相对贴合组成液晶盒；上基板涂膜的一侧还设有沟槽，液晶盒内填充有液晶混合物。
该光驱动主动式油水分离装置与水接触部分均为超疏水部分，能够最大限度的减小器件运动过程中的阻力，同时船体部分，对水面油污具有较好的吸附作用，以此可实现一种主动式的有目的性的油污清除过程。
液晶膜材料主要包括，水平取向的液晶分子、垂直取向的液晶分子，以及金纳米颗粒，在红外光的照射下，液晶混合物中的金纳米颗粒吸收光能，并能够较快较好的将光能转变成热能，从而使得液晶膜材料的温度升高，温度升高，会导致垂直取向剂膜一侧膨胀，而水平取向剂膜的液晶膜一侧收缩，进一步导致液晶膜整体反方向收缩，此时，固定在尾部的超疏水片会在弯曲液晶膜材料的带动下，产生一个反向推动力，从而实现船体的运动。根据这一推动机制，当用红外发射器照射尾部的液晶膜材料时，液晶膜材料逐渐变平，此时液晶膜材料在水面会给船体一个反向的推动力，从而推动船体往前运动；当给船体右侧液晶膜材料施加光照时，船体头部会有一个向左的反向推动力，从而船体实现左拐弯；当给船体左侧液晶膜材料施加光照时，船体头部会有一个向右的反向推动力，从而船体实现右拐弯，这一过程具有较好的可逆性，从而实现光驱动器件对特定位置油污的清除过程。
该光驱动主动式油水分离装置用于主动式的油水分离过程，即该智能器件能够有目的性的通过改变自身的方向和运动方式实现对不同油污的定向清除过程。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图；
图2为本实用新型的液晶膜材料结构示意图；
图3为本实用新型的液晶膜材料变形示意图。
具体实施方式
结合附图说明本实用新型的技术方案。
如图1所示，光驱动主动式油水分离装置，包括船体1，船体1为超亲油泡沫铜材料制成，表面涂覆有超疏水层；船体1前部的两侧以及尾部均安装有长条形弯曲的液晶膜材料2；液晶膜材料2的一端固定在船体1上，另一端固定连接超疏水片3；
还包括红外发射器4，通过红外光控制液晶膜材料2的变形。
如图2所示，所述的液晶膜材料2包括下基板25和上基板24，上基板24涂覆水平取向剂膜21，下基板25涂覆垂直取向剂膜23；下基板25和上基板24有膜的一侧面相对贴合组成液晶盒；上基板24涂覆膜的一侧还设有沟槽，液晶盒内填充有液晶混合物22。
泡沫铜本身具有很好的韧性，能够很方便的进行裁剪、折叠，将其折叠成船体1，边缘衔接处留有多余的泡沫铜，方便进行封装。
配置质量浓度10％E-44-乙酸乙酯溶液，搅拌10min使其完全溶解，加入适量的固化剂。将配置好的溶液均匀地涂覆在泡沫铜的船体1上，在其表面均匀地粘附聚四氟乙烯粉末，放进烘箱50℃固化2h。
配置5％E-44-乙酸乙酯溶液，搅拌10min使其完全溶解，均匀地涂覆在船体1上，放进烘箱50℃固化2h，得到表面具有超疏水性质的泡沫铜船体。
将3.5cm×2.5cm的玻璃片依次在乙醇和去离子水中超声10min，玻璃片表面能够形成水膜，氮气吹净；将5g PVA(1788)溶于100mL去离子水中，100℃下搅拌1h，得到5wt.％的PVA溶液；经摩擦处理的涂覆水平取向剂(1wt.％的PVA溶液)的玻璃片和涂覆垂直取向剂(DMOAP)的玻璃片分别作为上基板22、下基板21，制备液晶盒。具体而言：
将涂覆水平取向剂(1wt.％的PVA溶液)的玻璃片旋涂(500rpm,5s；2000rpm,10s)，放入烘箱中，60℃下加热30min，用绒布摩擦；PVA表面经摩擦后产生定向的沟槽，使液晶基元在剪切力作用下沿沟槽方向平行于玻璃基底排列；
向培养皿中加入200mL去离子水和5mL DMOAP，将玻璃片置于其中，50℃下加热30min，用去离子水冲洗玻璃片，放入烘箱中，60℃下加热30min；DMOAP具有一条很长的烷基链，使液晶基元沿长链方向垂直于玻璃基底排列；
将两个玻璃片倒扣放置，加入30μm间隔垫，取少量502加入到间隔垫上，夹子夹紧；
将液晶混合物(0.685g C6M、0.3g RM23、0.005g金纳米粒子和0.01g DMPA)溶于DCM中，超声，40℃下蒸发溶剂；将I相(95℃)的液晶混合物注入液晶盒中，缓慢降温至N相(70℃)，365nm UV照射5min进行光交联，缓慢降温至室温，得到LCN复合薄膜。
在制备LCN复合薄膜时，所得到的液晶膜材料2为弯曲的，与此同时，在制备过程中，水平取向剂膜21为水平取向的液晶高分子材料，垂直取向剂膜23为垂直取向的液晶高分子材料，水平取向的LCN复合薄膜在高温下会发生收缩，垂直取向剂膜23在高温下会发生收缩，如图3所示，故当用红外激光照射时，由于膜内金纳米粒子具有较好的光热转换效率，此时膜表面温度升高，LCN发生液晶相-I相转变，液晶基元的取向发生变化，水平取向剂膜21沿着液晶基元的水平取向方向收缩；当去除光照时，温度降低，LCN复合薄膜发生I相-液晶相转变，液晶膜材料2回复到初始状态。
用红外光照射尾部的液晶膜材料2，液晶膜材料2逐渐变平，此时液晶膜材料2在水面会给船体1向的推动力，从而推动船体1往前运动，当给船体1前部液晶膜材料2施加光照时，船体1头部会有一个向左或者向右的反向推动力，从而船体1实现左右拐弯，能够较好的控制船体的方向。
Claims (2)
1.光驱动主动式油水分离装置，包括船体(1)，其特征在于，船体(1)为超亲油泡沫铜材料制成，表面涂覆有超疏水层；船体(1)前部的两侧以及尾部均安装有长条形弯曲的液晶膜材料(2)；液晶膜材料(2)的一端固定在船体(1)上，另一端固定连接超疏水片(3)；
还包括红外发射器(4)，通过红外光控制液晶膜材料(2)的变形。
2.根据权利要求1所述的光驱动主动式油水分离装置，其特征在于，所述的液晶膜材料(2)包括下基板(25)和上基板(24)，上基板(24)涂覆水平取向剂膜(21)，下基板(25)涂覆垂直取向剂膜(23)；下基板(25)和上基板(24)有膜的一侧面相对贴合组成液晶盒；上基板(24)涂膜的一侧还设有沟槽，液晶盒内填充有液晶混合物(22)。
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