基于软材料表面失稳力学的柔性油水分离材料设计与研究

Study of oil-water separation is of great significance to dispose of oil spill accidents and oily wastewater. Soft materials find broad application in oil-water separation for its flexibility, sensitivity to external stimuli and convenience in fabrication. In this project, soft materials with hierarchical surface wrinkling patterns for oil-water separation will be designed and fabricated based on mechanics of surface wrinkling. This project is aimed to achieve selective separation of oil-water mixture with high efficiency. We will investigate the mechanical mechanism behind the surface wrinkling behavior of the flexible separation materials, and the mechanism of the effect of wrinkling patterns on the surface wetting property. Mechanical and optical controllable hierarchical wrinkling patterns will be fabricated on the surface of porous soft materials prepared by 3D printing based on the guidance of theoretical results. The surface wetting property of the materials and performance for oil-water separation can be dynamically tuned by controlling external stimuli. The results obtained here may inspire the development of novel oil-water separation materials. Completion of this project could promote the development of surface wrinkling mechanics and its application in oil-water separation.

油水分离的研究对石油泄漏事故处理、含油污水治理具有重要意义。软材料因其具有柔性、对外界激励敏感、制备方便等优势而在油水分离领域具有广阔的应用前景。本项目将基于软材料表面失稳力学设计并制备出具有可控多级表面失稳形貌的柔性油水分离材料，旨在实现高效、智能油水分离。主要研究柔性油水分离材料表面失稳形貌演化背后的力学机制与多级失稳形貌对表面浸润性质的影响机理，并基于理论结果的指导在3D打印的多孔软材料表面制备力-光学可控的多级失稳形貌。通过控制外界激励调控材料表面浸润性质，实现油水分离的智能调控。本项目的完成为柔性、智能油水分离材料的设计与应用提供了新思路，对软材料表面失稳力学理论的发展及其在油水分离领域的应用具有重要促进作用。

油水分离的研究对石油泄漏事故和含油污水治理具有重要意义。软材料因其具有柔性和制备方便等优势而在油水分离领域具有广阔的应用前景。本项目基于Koiter弹性稳定性理论和傅里叶谱方法研究了复杂曲面系统表面的形貌演化行为，随后在理论的指导下制备了具有表面失稳形貌的柔性多孔油水分离材料，并研究了表面失稳形貌对材料浸润性和分离性能的影响规律，主要内容及结果包括如下三部分：.（1）在Koiter弹性稳定性理论的基础上考虑无量纲曲率和曲率各向异性参数的影响，提出了一般曲面软材料系统表面失稳理论分析框架。临界屈曲分析结果表明，临界失稳模式是正弦形貌，并且失稳形貌垂直于最大曲率方向。后屈曲分析发现，曲率及其各向异性在软材料表面失稳模式的转换中起着关键作用，且负曲率能促进正弦模式向六边形模式演化。另外，发展了一种模拟一般曲面系统形貌演化的傅里叶谱方法，以球形核壳系统为例验证了该方法的可行性。对于一般曲面系统，受无量纲曲率、曲率各向异性和过应力的影响，正弦形貌很块演化为六方形貌，六方形貌会逐渐过渡为双相模式并最终演化为迷宫形貌。.（2）提出了墨水直写-溶剂交联-颗粒溶解和墨水直写-溶剂交联-预拉伸-紫外臭氧处理-释放预应变的方法分别制备得到了多级多孔柔性油水分离软材料和具有表面失稳形貌的柔性多孔油水分离软材料。.（3）通过实验分析了孔洞类型、孔隙率和失稳形貌对软材料表面浸润性质和油水分离性能的影响规律。结果表明，蜂窝型填充形式相比直线型和波浪型具有更大的接触角且可以承受更大的静水压力；材料的吸油效率随着可溶解颗粒质量分数的升高而增大；失稳形貌的存在可以较大的提升材料的水接触角；多级多孔和表面失稳形貌的设计和制备较大的提升了多孔材料的油水分离性能。.本项目的完成为柔性油水分离材料的设计与应用提供了新思路，对软材料表面失稳力学理论的发展及其在油水分离领域的应用具有重要促进作用。