CN106563565B - 一种基于磁-阿基米德原理的高分子材料分离方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于磁‑阿基米德原理的高分子材料分离方法，包括：(1)根据混合高分子样品的密度差异，确定介质溶液；(2)用冲洗剂对混合高分子样品进行冲洗；(3)将混合高分子样品置于介质溶液中；(4)将介质溶液置于磁悬浮检测装置中，所述的磁悬浮检测装置带有两个同极对置的方形磁铁；(5)不同密度的高分子样品在介质溶液中产生分层，将不同样品分层取出，完成分离。与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供了一种全新的高分子材料分离方法，所需求的装置操作简单，成本低廉，测量结果易于观测，测量精度高，方法易于实现自动化。
Description
技术领域
本发明涉及一种高分子材料分离方法，具体涉及一种基于磁-阿基米德原理的高分子材料分离方法。
背景技术
不同物质的分离技术在生产和研究方面有着广泛的应用。在高分子成型方面，混合材料的分离在原料筛选，废料回收等方面均有着重要作用。
现有的广泛应用的分离技术包括：浮沉法、离心法等。这些方法的原理均基于不同材料的密度上的差异对不同的物质进行分离。浮沉法通过配置密度介于两种不同材料之间的溶液，使两种材料分别处于悬浮和沉底的状态，从而分离两种材料。离心法通过不同材料受到的离心力不同，使不同材料出现分层从而实现分离。
上述两种方法在实际生产过程中均具有较为广泛的应用，方法较为成熟。但是，上述方法仍存在一些缺点。以上方法在分离过程中一般只能对两种材料进行分离，若要对多种材料进行分离，通常需要进行多次分离作业，操作较为繁琐。其中，浮沉法需要多次配置溶液，而离心法无法使不同材料产生明显分层，很难达到完全分离。另外，对于密度相近的高分子材料，上述方法很难将不同的材料准确分离出来，或者需要更加精密且昂贵的仪器进行分离作业，导致成本昂贵。
发明内容
本发明针对现有的高分子材料分离方法存在的问题，基于磁悬浮理论，提出了一种基于磁-阿基米德原理的分离方法。本发明适合于两种或多种不同高分子材料的分离。
一种基于磁-阿基米德原理的高分子材料分离方法，包括如下步骤：
(1)根据混合高分子样品材料确定介质溶液；
(2)用冲洗剂对样品进行冲洗；所述的清洗剂可选择甲醇、乙醇或者丙酮等，进一步优选为乙醇；
(3)将样品置于介质溶液中；
(4)将介质溶液置于磁悬浮检测装置中，所述的磁悬浮检测装置带有两个同极对置的方形磁铁，所述介质溶液置于两个方形磁铁之间；
(5)不同密度样品在装置中产生分层，将不同样品分层取出，完成分离。
作为优选，配制合适浓度的介质溶液，保证不同密度样品在溶液中可以达到明显分层。
作为优选，两磁铁之间距离不大于70mm，保证样品位置基本位于两个磁铁的中心线上。作为优选，所述两磁铁之间距离为50～70mm。
作为优选，两个磁铁均为长50mm*宽50mm*高25mm的磁铁。
作为优选，介质溶液为顺磁介质水溶液。
作为优选，所述介质溶液为MnCl2水溶液。
所述磁-阿基米德原理密度测量方法，其原理如下：
由磁介质的分子环流假设，根据毕奥-萨伐尔定理，对尺寸为a*a*h的方形磁铁的一角为坐标原点建立坐标，长宽方向分别为x轴和y轴，高度h方向为z轴，则空间一点(x，y，z)的磁感应强度为：
式中，J为与平面xOy平行的任意平面的面电流密度，μ0为真空磁导率，Ψ与Φ为函数记号，分别为：
z0是与z无关的参数；表示函数记号内z0＝h的值与z0＝0的值之差。
当磁铁给定尺寸与表面磁感应强度，则J的计算公式如下：
B0为单块磁铁表面磁感应强度；
当两块磁铁中间存在介质时，介质的受力满足：
式中：是磁场对样品产生的力，N；χm是介质溶液的磁化率，无量纲；V为被测样品体积，cm3；为向量梯度算子，为被测样品所在位置磁场的磁感应强度，T。
由于两块磁铁之间呈梯度变化，因此，两块磁铁之间介质每一点受力都不一样。若中间介质为顺磁溶液，则当溶液中放入被测样品，受磁场力影响，样品获得的附加浮力满足：
式中：是磁场产生的力，N；χs是样品的磁化率，无量纲。
对坐标系进行变换，将坐标原点沿z轴方向向上移动h，即使得坐标原点在下方磁铁的上表面。根据对磁场的模拟结果，当d<70mm时，两块磁铁中间区域，除中心线以外，大部分区域在平行于xOy平面分量沿与中心线连线方向向外发散，磁场作用于溶液对样品产生的浮力指向两磁铁中心连线，因此样品的最终平衡位置一定在两磁铁中心连线上。中心线在平行于xOy平面方向分量为0。
在垂直方向上，的表达式简化为：
结合阿基米德原理，样品最终的平衡状态方程为：
其中ρs为被测样品密度，g/cm3；ρm为介质溶液密度，g/cm3；χm为介质溶液磁化率，无量纲；g为重力加速度，m/s2；z为样品在溶液中高度，mm；d为两个磁铁之间的距离，mm；J为与平面xOy平行的任意平面的面电流密度，A/m2。
一般高分子的磁化率远低于溶液，所以可以忽略；那么上面的式(I)就变成了密度和样品所在高度的函数，受力平衡时，不同密度的样品会漂浮在不同的高度。
根据理论分析结果，针对不同的材料配置不同的溶液，可以对大部分高分子材料进行分离。合理配置溶液，本方法在可行范围内至少可以对密度差异0.05g/cm3的不同物质进行分离。作为优选，所述混合高分子样品中各高分子组份之间的密度差大于等于0.05g/cm3小于等于0.5g/cm3。针对这种混合高分子样品，采用现有的方法进行分离要么成本较高，要么需要投入较长的实验过程，特别是针对不止两种组份的混合高分子样品，现有技术根本无法实现一次性分离。
上述基于磁-阿基米德磁悬浮的物质分离方法，应当在检测前根据混合高分子材料的构成估测不同材料的密度，同时配制相应的介质溶液，使得不同密度样品在溶液中可以达到明显分层。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供了一种全新的高分子材料分离方法，所需求的装置操作简单，成本低廉，测量结果易于观测，测量精度高，方法易于实现自动化。
本发明的基于磁-阿基米德原理的高分子材料分离方法，可以对含有两种以上高分子样品材料一次性进行分离，过程简单。
本发明的基于磁-阿基米德原理的高分子材料分离方法，可以对密度差异为0.05g/cm3或以上的不同物质进行分离，完美解决了现有技术中对小密度差异分离难的问题。
附图说明
图1是本发明磁悬浮装置原理图；
图2是本发明对长50mm*宽50mm*高25mm中心表面磁感应强度为0.425T磁铁，距离为60mm时，中心线与高度z关系的曲线图。
具体实施方式
为使本发明被更清楚地理解，下面根据本发明的具体实例及附图，对本发明进行进一步的说明。
如图1所示，是本发明的磁阿基米德分离方法的原理图，包括磁铁1、磁铁7，介质溶液2，介质溶液容器3，混合样品4，分离后密度较小的样品5，分离后密度较大的样品6。容器3要求透明易于观测样品状态。磁铁1、磁铁7之间距离为d。不同样品悬浮高度分别为z1和z2。
本实施例中，磁铁1、磁铁7均为长50mm*宽50mm*高25mm的方形磁铁，中心表面磁感应强度0.425T的磁铁，距离60mm同极对置构成。
本发明对长50mm*宽50mm*高25mm中心表面磁感应强度为0.425T磁铁，距离为60mm时，中心线与高度z关系的曲线图如图2所示。
其中，分离方法如下：
一种基于磁阿基米德原理的高分子材料分离方法，包括：
(1)根据样品材料估计样品密度。
根据样品中不同材料的密度差异以及体积，配制合适浓度的介质溶液，保证不同密度样品在溶液中可以达到明显分层。
实际实验过程中，需要估计样品中不同材料大概的密度差异，根据每种样品大概的体积，估计不同材料可以达到明显分离(互不干涉)所需要的高度差，根据公式(I)及图2计算或者估算需要的溶液磁化率及密度，然后配置合适的溶液。表1给出了不同浓度MnCl2的参考磁化率与密度。
表1不同浓度MnCl2水溶液所对应的密度和磁化率
| 浓度(mol/L) | 密度(g/cm3) | 磁化率 |
| 1 | 1.099 | 1.774×10-4 |
| 1.5 | 1.148 | 2.771×10-4 |
| 2 | 1.196 | 3.630×10-4 |
| 2.5 | 1.244 | 4.650×10-4 |
| 3 | 1.292 | 5.438×10-4 |
(2)用乙醇对样品进行冲洗，保证样品在浸入介质溶液时不会有气泡附着在样品表面。
(3)将样品置于容器3的介质溶液中。
(4)将介质溶液置于磁悬浮检测装置中，即置于磁铁1、磁铁7之间。
(5)观测样品的分层状态，将分层的不同样品分别取出。
采用本方法对PCL(聚己内酯，密度1.144g/cm3)原料与TPU(热塑性聚氨酯，密度1.116g/cm3)原料(直径约4mm的球状颗粒各约35粒)进行分离。样品经过酒精清洗表面后，置于浓度为1.5mol/L的MnCl2水溶液中，放进装置中。静置2分钟，待样品位置稳定，观测样品分层。其中，两种材料分别团聚并分层，TPU在上层，PCL在下层。两种材料分层间距明显并且互相并不干涉，用纱网可将两种材料分别取出。
以上所述仅为本发明的一个应用实例，并非对适用被测样品范围的限定。可应用本发明测量的材料，这里无需也无法一一穷举，凡在本发明精神和原则之内，所做的任何修改，等同替换，改进等，均应包含在本发明保护范围之内。
Claims (1)
1.一种基于磁-阿基米德原理的高分子材料分离方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)根据混合高分子样品的密度差异，确定介质溶液；
(2)用冲洗剂对混合高分子样品进行冲洗；
(3)将混合高分子样品置于介质溶液中；
(4)将介质溶液置于磁悬浮检测装置中，所述的磁悬浮检测装置带有两个同极对置的方形磁铁，所述介质溶液置于两个方形磁铁之间；
(5)不同密度的高分子样品在介质溶液中产生分层，将不同样品分层取出，完成分离；
两个磁铁均为长50mm*宽50mm*高25mm的磁铁；
两磁铁之间距离为50～70mm；
所述介质溶液为MnCl2水溶液；
所述混合高分子样品中，各高分子组份之间的密度差异大于等于0.05g/cm3小于等于0.5g/cm3。
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| GR01 | Patent grant | ||
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