CN107240475A - 一种定向输运固体微粒的磁性阵列及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种定向输运固体微粒的磁性阵列及其制备方法和应用,属于功能材料及固体控制技术领域。所述方法包括在PVC薄板上制备孔阵列,在孔阵列中分散磁性粒子并浇筑聚合物,固化后将PVC薄板溶解,即得到所述的磁性阵列。所述的磁性阵列上方设置马达驱动的磁铁,就可以驱动磁性阵列弯曲,进而带动磁性阵列上的非磁性粒子的定向连续输运。本发明制备方法简单,原料易得,成本低;本发明的磁性阵列可用于固体微粒的定向连续输运,在医学治疗、药物输送系统等方面具有很好的应用前景。在患病条件下,应用于运输固体微粒的仿生纤毛的设计研究方面具有一定的参考价值。
Description
技术领域
本发明属于功能材料及固体控制技术领域,具体涉及一种具有实现定向输运固体微粒的磁性阵列及其制备方法和应用。
背景技术
灰尘、细菌和其他异物粒子等固体微粒常常干扰动生物体的肺部。固体微粒的定向输运行为通常需要使用机械泵等推动装置实现,这种方法不仅会增加实现难度,也会消耗大量能源。在固体输运的过程中,能够连续的定向输运在医学治疗、微粒定向输运、仿生学机械研究、药物输送系统和无液体情况下的自清洁等新技术的发展具有重要的意义。目前,在患病条件下应用于运输固体微粒的仿生纤毛设计上仍然缺乏有效方案。
发明内容
针对固体微粒输运技术的不足,本发明提供一种定向输运固体微粒的磁性阵列及其制备方法和应用。通过研究磁性阵列摆动频率对固体输运的影响,利用磁性圆锥或圆柱阵列摆动过程中产生各项异性摩擦力的特性,使固体微粒仅通过磁性圆锥或圆柱阵列摆动产生的驱动力即可实现固体微粒的定向连续输运,并设计合理器件。
应用所述的定向输运固体微粒的磁性阵列,将磁性阵列固定在平面上,将聚苯乙烯微粒(PS)放在磁性阵列上,并将钕铁硼磁铁(≈0.7T)安装在可以操控的控制器上,从上端接近阵列,聚苯乙烯微粒(PS)会在阵列弯曲力的推动下,向阵列弯曲的方向运动,实现了聚苯乙烯微粒(PS)的定向连续输运。
所述的定向输运固体微粒的磁性阵列的制备方法,具体为:
在商用的PVC薄板上利用固定了不锈钢针的机械臂冲击形成规则排列的圆锥形或圆柱形孔阵列。将磁性粒子粉末均匀地分散到上述孔阵列内。然后配制前驱体和固化剂质量比为6:1~8:1的聚二甲基硅氧烷(PDMS)的混合物,抽真空除气后浇于具有规则圆锥形孔和圆柱形孔且孔内分散有磁性粒子粉末的PVC薄板表面,在60~80℃的烘箱中固化6-8h。固化过程中要将一块具有强磁性的钕铁硼磁铁置于浇注了PDMS的PVC薄板正下方。固化完全后,将浇注了PDMS的PVC薄板放入预先制备好的常温四氢呋喃中24h。将PVC薄板溶解之后,便可得到有序排列的磁性圆锥和磁性圆柱阵列结构表面。
本发明还提供一种所述的定向输运固体微粒的磁性阵列的应用,具体为:
将钕铁硼磁铁固定在机械臂上,利用马达驱动机械臂带动钕铁硼磁铁运动,将磁性阵列放在马达驱动的钕铁硼磁铁下方,制得定向连续输运非磁性固体微粒的磁驱动装置。
本发明的优点在于:
1、本发明提出一种可实现定向连续输运微小固体颗粒的磁性圆锥或柱形孔阵列,制备方法简单,原料易得,成本低。
2、本发明提出一种可实现定向连续输运微小固体颗粒的磁性圆锥或柱形孔阵列,可用于固体微粒的定向连续输运,在生产、环保等领域具有广泛应用。
3、本发明提出一种可实现定向连续输运微小固体颗粒的磁性圆锥或柱形孔阵列,在医学治疗、药物输送系统等方面具有很好的应用前景。
4、本发明提出一种可实现定向连续输运微小固体颗粒的磁性圆锥或柱形孔阵列,在患病条件下,应用于运输固体微粒的仿生纤毛的设计研究方面具有一定的参考价值。
附图说明
图1A和1B:本发明制备的用于定向连续输运固体微粒的磁性圆锥阵列照片及单个圆锥结构的顶部扫描电镜图。
图1C和1D:本发明制备的用于定向连续输运固体微粒的磁性圆柱阵列照片及单个圆柱结构的顶部扫描电镜照片。
图2:本发明中用于定向连续输运固体微粒的磁性圆锥阵列的原理示意图。
图3A:本发明实施例1中用于定向连续输运固体微粒的磁性圆锥阵列输运固体微粒的速率与阵列摆动频率有关的实际过程照片。
图3B:本发明实施例2中用于定向连续输运固体微粒的磁性圆柱阵列输运固体微粒的速率与阵列摆动频率有关的实际过程照片。
图3C:本发明实施例1和2中用于定向连续输运固体微粒的磁性阵列输运固体微粒的速率与阵列摆动频率关系图。
图4A:本发明实施例1中用于定向连续输运固体微粒的磁性圆锥阵列输运固体微粒的速率与阵列高度有关的实际过程照片及输运固体速率与高度的关系图。
图4B:本发明实施例1中用于定向连续输运固体微粒的磁性圆锥阵列输运固体微粒的速率与阵列间距有关的实际过程照片及输运固体速率与阵列间距关系图。
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。
本发明提供了一种用于定向输运固体微粒的磁性阵列,是由聚二甲基硅氧烷和磁性粒子(如钴粒子)通过简单的机械扎孔和模板溶解法制成的。制备过程具体为:
第一步,在PVC薄板上制备孔阵列。
利用固定了不锈钢针的机械臂冲击形成规则排列的圆锥形或圆柱形孔阵列。所述的孔阵列中,圆锥或圆柱孔的高度为2-4mm,相邻两个圆锥或圆柱之间的间距为0.8-1.2mm。
第二步,将钴粒子均匀的分散到所述的孔阵列上,保证每个圆锥孔或圆柱孔内都均匀的分散有钴粒子。
所述钴粒子的粒径为2μm。
第三步,配制前驱体和固化剂质量比为6:1-8:1的聚二甲基硅氧烷(PDMS)的混合物,抽真空除气后浇于具有规则圆锥形孔和圆柱形孔且孔内分散有钴粒子粉末的PVC薄板表面,在80℃的烘箱中固化6-8h。固化过程中要将一块具有强磁性的钕铁硼磁铁置于浇注了PDMS的PVC薄板正下方。
第四步,固化完全后,将浇注了PDMS的PVC薄板放入预先制备好的常温四氢呋喃中24h。将PVC薄板溶解之后,便可得到有序排列的磁性圆锥和磁性圆柱阵列结构表面。
所述的磁性圆锥和磁性圆柱阵列结构,基底材料为PDMS,厚度为1.5-2mm。每一个圆锥或圆柱单体结构的高度为2-4mm,相邻两个圆锥或圆柱之间间距为0.8-1.2mm。
如图1A~1D所示,磁性阵列的顶部比底部更粗糙,原因是由于磁铁在磁性阵列的尖部,使得钴粒子不均匀分布。如图2所示,当磁铁在磁性阵列上方静止时,磁性阵列保持竖直状态。当磁铁平行于磁性阵列移动时,磁性阵列沿着磁场移动方向均匀可逆弯曲。当磁铁被移走时,磁性阵列将会恢复到原来的垂直位置,从弯曲到恢复至原来垂直位置产生的驱动力如果足够强大,就可以推动放在磁性阵列上的非磁性固体微粒运动。磁性阵列弯曲程度和摆动频率由磁场的强度和移动速度控制着。
所述的PVC薄板的厚度一般为5mm-7mm。
上述方法制备得到的磁性阵列,所述磁性阵列为磁性圆锥阵列和磁性圆柱阵列,优选磁性圆锥阵列。
所述磁性阵列为磁性圆锥阵列高度为2-4mm,优选高度为3mm。
所述磁性阵列为磁性圆锥阵列相邻两个圆锥之间间距为0.8-1.2mm,优选间距为1.0mm。
所述磁性阵列为磁性圆锥阵列摆动频率为1.5s/circle-1.9s/circle,优选摆动频率为1.7s/circle。
所述的前驱体选取二甲基硅氧烷。所述的固化剂是渗透型液体固化剂,一般由硅烷、硅氧烷、硅酸盐、氟硅酸盐等组成。
实施例1:应用本发明提供的方法制备磁性圆锥阵列,具体为:
在商用的PVC薄板上利用固定了不锈钢针的机械臂冲击形成规则排列的圆锥形孔阵列。将200mg钴粒子粉末(粒径2μm)均匀地分散到上述孔阵列内。然后配制前驱体和固化剂质量比为8:1的聚二甲基硅氧烷(PDMS)的混合物,抽真空除气后浇于具有规则锥形孔且孔内分散有钴粒子粉末的PVC薄板表面,在60℃的烘箱中固化8h。固化过程中要将一块具有强磁性的钕铁硼磁铁置于PVC薄板正下方。固化完全后,将PVC薄板放入预先制备好的常温四氢呋喃溶剂中36h。将PVC薄板基底溶解之后,便可得到有序排列的磁性圆锥阵列结构表面。
如图1A和1B所示,所述的磁性圆锥阵列,基底为聚二甲基硅氧烷(PDMS),表面具有垂直基底的磁性圆锥阵列,各圆锥结构的高度为3mm,相邻两个圆锥之间间距为1.0mm,磁性阵列的摆动频率为1.7s/circle。
应用所述的磁性圆锥阵列制备定向连续输运固体微粒的磁驱动装置,具体为:
将钕铁硼磁铁固定在机械臂上,利用马达驱动机械臂带动钕铁硼磁铁运动,将制备的磁性圆锥阵列放在马达驱动的钕铁硼磁铁下方,如图2所示,,制得定向连续输运微小非磁性固体微粒的磁驱动装置。所述非磁性固体微粒为聚苯乙烯微粒(PS),微粒尺寸为2.5mm。
如图3A所示,磁性圆锥阵列摆动频率与固体微粒运动速率的关系实物图,对应着摆动频率为1.9s/circle、1.8s/circle、1.7s/circle、1.6s/circle和1.5s/circle,按照图2所示方式驱动,60s时间内的驱动距离分别为1.6mm、3.7mm、5.3mm、2.6mm、1.3mm。在阵列摆动频率为1.7s/circle时的输运距离最远,达到5.3mm。如图4A所示,阵列高度分别为2.0mm、2.5mm、3.0mm、3.5mm、4.0mm时,固体微粒在45s时间内的输运距离先增大后减小,在3.0mm高度对应最大输运距离5.3mm,输运速率最大为0.09mm/s。
如图4B所示,阵列间距分别为0.8mm、0.9mm、1.0mm、1.1mm、1.2mm时,固体微粒的输运距离先增大后减小,阵列间距是1.0mm对应着最大输运距离4.7mm,输运速率最大为0.09mm/s。
实施例2
应用本发明提供的方法进行磁性圆柱阵列的制备,具体为:
在商用的PVC薄板上利用固定了不锈钢针的机械臂冲击形成规则排列的圆柱形孔阵列。将300mg粒径2μm钴粒子粉末均匀地分散到上述孔阵列内。然后配制前驱体和固化剂质量比为6:1的聚二甲基硅氧烷(PDMS)的混合物,抽真空除气后浇于具有规则柱形孔且孔内分散有钴粒子粉末的PVC薄板表面,在80℃的烘箱中固化6h。固化过程中要将一块具有强磁性的钕铁硼磁铁置于PVC薄板正下方。固化完全后,将PVC薄板放入预先制备好的常温四氢呋喃溶剂中24h。将PVC薄板基底溶解之后,便可得到有序排列的磁性圆柱纤毛阵列结构表面。
如图1C和1D所示,所述的磁性圆柱阵列的高度为3.0mm,相邻两个圆柱之间间距为1.0mm。
应用所述的磁性圆柱形阵列制备定向连续输运固体微粒的磁驱动装置,具体为:
将钕铁硼磁铁固定在机械臂上,利用马达驱动机械臂带动钕铁硼磁铁运动,将制备的磁性圆柱形阵列放在马达驱动磁铁装置下方,如图2所示,制得定向连续输运微小颗粒的磁驱动装置。
如图3B所示,磁性圆柱阵列摆动频率与非磁性固体微粒运动速率的关系实物拍摄图,对应着摆动频率为1.9s/circle、1.8s/circle、1.7s/circle、1.6s/circle和1.5s/circle,按照图2所示方式驱动,固体颗粒的输运距离分别为1.1mm、2.1mm、3.0mm、2.1mm、1.0mm,在摆动频率为1.7s/circle时对应着最大输运距离3.0mm。
如图3C所示,磁性圆柱阵列摆动频率为1.7s/circle时,颗粒运动速率最大0.05mm/s。磁性圆锥阵列摆动频率为1.7s/circle时速率最大0.09mm/s。明显得出,相同条件下,磁性圆锥阵列比磁性圆柱阵列输运效果更好。
Claims (8)
1.一种定向输运固体微粒的磁性阵列,其特征在于:所述的磁性阵列包括规则排列的磁性圆锥和磁性圆柱阵列,所述的磁性阵列的基底为聚合物材料;磁性阵列的高度为2-4mm,相邻两个圆锥或圆柱之间间距为0.8-1.2mm,磁性阵列的摆动频率为1.5s/circle-1.9s/circle,每个圆锥或圆柱内填充有磁性粒子。
2.根据权利要求1所述的一种定向输运固体微粒的磁性阵列,其特征在于:所述的基底材料为PDMS,厚度为1.5-2mm;所述的磁性粒子为钴粒子。
3.根据权利要求1所述的一种定向输运固体微粒的磁性阵列,其特征在于:所述的磁性圆锥阵列高度为3mm,相邻两个圆锥之间间距为1.0mm,摆动频率为1.7s/circle。
4.一种定向输运固体微粒的磁性阵列的制备方法,其特征在于:
在PVC薄板上制备规则排列的圆锥形或圆柱形孔阵列;将磁性粒子均匀地分散到上述孔阵列内;然后配制前驱体和固化剂质量比为6:1~8:1的聚二甲基硅氧烷的混合物,抽真空除气后浇于具有规则圆锥形孔和圆柱形孔且孔内分散有磁性粒子的PVC薄板表面,在60~80℃的烘箱中固化6-8h;固化过程中要将一块具有强磁性的钕铁硼磁铁置于PVC薄板正下方;固化完全后,将PVC薄板溶解,便得到有序排列的磁性圆锥和磁性圆柱阵列结构表面。
5.根据权利要求4所述的一种定向输运固体微粒的磁性阵列的制备方法,其特征在于:所述的PVC薄板溶解放入预先制备好的常温四氢呋喃中24h溶解;所述的PVC薄板的厚度为5mm-7mm。
6.根据权利要求4所述的一种定向输运固体微粒的磁性阵列的制备方法,其特征在于:所述的磁性粒子为钴粒子,钴粒子的粒径为2μm。
7.一种定向输运固体微粒的磁性阵列的应用,其特征在于:将钕铁硼磁铁固定在机械臂上,利用马达驱动机械臂带动钕铁硼磁铁运动,将磁性阵列放在马达驱动的钕铁硼磁铁下方,磁性阵列上布置非磁性固体微粒,制得定向连续输运非磁性固体微粒的磁驱动装置。
8.根据权利要求7所述的一种定向输运固体微粒的磁性阵列的应用,其特征在于:所述非磁性固体微粒为聚苯乙烯微粒,微粒尺寸为2.5mm。
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