CN109569391B - 一种电子超声纳米微粒悬浮液分散装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电子超声纳米微粒悬浮液分散装置及方法，包括分散槽、一个以上的超声波换能器Ⅰ、一个以上的超声波换能器II、电缆、超声波发生器、控制器、电机、联轴器、电子发生器、搅拌轴、搅拌桨；所述一个以上的超声波换能器Ⅰ、一个以上的超声波换能器II分别安装在分散槽的底面或侧面，所述电机通过支架固定在分散槽的上方，所述电机轴通过联轴器与搅拌轴的顶部连接，搅拌轴的底部伸入分散槽内，搅拌轴内部设有中空腔体，所述电子发生器位于搅拌轴的中空腔体内，能增强悬浮液颗粒间排斥力且能同时产生不同频率、不同超声波传播方向的纳米微粒悬浮液，实现了多频率、多方向传播的超声波同时工作，使介质的空化效应更显著。

Description

一种电子超声纳米微粒悬浮液分散装置及方法
技术领域
本发明涉及一种电子超声纳米微粒悬浮液分散装置及方法，属于纳米微粒悬浮液制备技术领域。
背景技术
纳米微粒悬浮液的分散是制备稳定纳米微粒悬浮液的关键环节。然而，现有的分散装置和分散方法很难满足分散要求。一种是通过调整超声波发生器的输入电压来调节换能器的外加电压，从而改变换能器的工作电流，实现换能器谐振频率及功率的改变，但该方法涉及的中间环节过多且调节参数不稳定；一种是分散装置只配有搅拌轴，但是，该方法缺乏增强微细颗粒间的排斥力，其分散能力有限。此外，现有的多数分散设备中，换能器安装于分散槽的底面，只能在槽中产生一个方向传播的超声波，因此分散装置的空化效应受到限制，进而影响其分散效果。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种电子超声纳米微粒悬浮液分散装置，本装置能增强悬浮液颗粒间排斥力且能同时产生不同频率、不同超声波传播方向的纳米微粒悬浮液。
本发明的技术方案是：一种电子超声纳米微粒悬浮液分散装置，包括分散槽、一个以上的超声波换能器Ⅰ、一个以上的超声波换能器II、电缆、超声波发生器、控制器、电机、联轴器、电子发生器、搅拌轴、搅拌桨；
所述一个以上的超声波换能器Ⅰ、一个以上的超声波换能器II分别安装在分散槽的底面或侧面，且一个以上的超声波换能器Ⅰ、一个以上的超声波换能器II分别通过电缆与超声波发生器连接，所述电机通过支架固定在分散槽的上方，所述电机轴与联轴器通过螺纹连接，联轴器与搅拌轴的顶部通过螺栓连接，搅拌轴的底部伸入分散槽内，所述搅拌轴内部设有中空腔体，中空腔体的底部设有孔，所述电子发生器位于搅拌轴的中空腔体内，且电子发生器与联轴器的下端连接，搅拌轴的底部与搅拌桨连接，所述控制器分别与一个以上的超声波换能器Ⅰ、一个以上的超声波换能器II、超声波发生器连接，所述电子发生器通过电缆与超声波发生器连接。
所述电子发生器包括金属丝、金属板、聚焦极和聚焦线圈、绝缘壳、绝缘板；所述绝缘壳内设有金属丝、金属板、聚焦极、聚焦线圈和绝缘板，所述金属丝、聚焦线圈分别通过电缆与超声波发生器连接，即超声波发生器输出的交流电经降压、整流、滤波后得到的低直流电通过电缆与金属丝、聚焦线圈连接，所述聚焦极与金属丝并联连接，所述金属板通过绝缘板固定于绝缘壳内，且金属板上开有孔，所述聚焦线圈为一组铜制线圈，聚焦极的中间空隙、金属板上的孔、聚焦线圈的中间空隙，三者对齐位于同一直线上。
所述金属丝为钨丝，直径为0.5～1mm。
所述搅拌轴内部的中空腔体为倒圆锥形结构。
所述搅拌轴的底部通过键和紧定螺钉与搅拌桨连接。
所述控制器包括CPU、超声波换能器驱动电路，所述CPU与超声波换能器驱动电路电连接，所述超声波换能器驱动电路包括次级多抽头匹配变压器、数字电感串联匹配网络、超声波换能器电压有效值检测原件和超声波换能器电流电压相位差的检测原件，所述次级多抽头匹配变压器包括初级线圈和次级多抽头线圈，次级多抽头匹配变压器的初级线圈与超声波发生器连接，次级多抽头匹配变压器的任意一个抽头次级线圈与数字电感匹配网络连接后再依次与一个以上的超声波换能器Ⅰ、一个以上的超声波换能器II串联，所述超声波换能器电压有效值检测原件和超声波换能器电流电压相位差的检测原件，分别并接于一个以上的超声波换能器Ⅰ、一个以上的超声波换能器II与数字电感串联匹配网络之间，用于将一个以上的超声波换能器Ⅰ、一个以上的超声波换能器II的电压有效值和电压与电流的相位差实时反馈给数字电感匹配网络进行匹配调节。
所述超声波换能器驱动电路可改变超声波换能器的谐振频率，并且可减小超声波换能器谐振频率的漂移现象，使超声波换能器能在多个谐振频率下稳定工作。
本发明的目的之二在于提供一种利用本电子超声纳米微粒悬浮液分散装置进行分散的方法，其特征在于，具体步骤如下：
将已加入去离子水的烧杯置入分散槽中，启动电子超声波分散装置，选择工作方式，接着向烧杯加入表面活性剂，启动电机让搅拌桨搅拌活性剂混合液直至活性剂全部溶解，然后将待分散的纳米颗粒加入到烧杯中，同时启动电子发生器，此时电子发生器的金属丝的表面产生大量的热电子，热电子在聚焦极和加速电场的作用下从金属板的孔中穿出，在聚焦线圈聚束后，经搅拌轴的内腔射入悬浮液并依附于悬浮液颗粒表面，使颗粒间具有相互排斥的作用力，此时在搅拌作用下表面活性剂能最大限度地包覆单个纳米颗粒，使微粒悬浮液的分散效果达最佳状态。
本发明的有益效果是：
(1)本发明装置可增强悬浮液颗粒间的自身排斥作用力，使表面活性剂能最大限度的包覆单个微粒，从而使制备的悬浮液具有更好的分散稳定性。
(2)本发明装置实现了多频率、多方向传播的超声波同时工作，使介质的空化效应更显著。
(3)本发明装置可减小换能器在使用过程中出现的发热、老化以及磨损等导致的谐振频率漂移现象，能使换能器重返谐振状态。
(4)本发明具有多种工作状态，因此，具有更宽的适用范围、更强的使用灵活性。
附图说明
图1为本发明电子超声波分散装置的结构示意图；
图2为搅拌空心轴的结构示意图；
图3为电子发生器的结构原理示意图；
图中：1-分散槽；2-超声波换能器Ⅰ；3-超声波换能器II；4-电缆；5-超声波发生器；6-控制器；7-电机；8-电机轴；9-联轴器；10-电子发生器；11-搅拌轴；12-搅拌桨；13-金属丝；14-金属板；15-聚焦极；16-聚焦线圈。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：如图1～3所示，本电子超声纳米微粒悬浮液分散装置包括分散槽1、一个超声波换能器Ⅰ2、一个超声波换能器II3、电缆4、超声波发生器5、控制器6、电机7、联轴器9、电子发生器10、搅拌轴11、搅拌桨12；
所述超声波换能器Ⅰ2安装在分散槽1的底面上，所述超声波换能器II3安装在分散槽1的侧面上，且超声波换能器Ⅰ2、超声波换能器II3分别通过电缆4与超声波发生器5连接，所述电机7通过支架固定在分散槽1的上方，所述电机7的电机轴8与联轴器9通过螺纹连接，联轴器9与搅拌轴11的顶部通过螺栓连接，搅拌轴11的底部伸入分散槽1内，所述搅拌轴11内部设有中空腔体，中空腔体的底部设有孔，所述电子发生器10位于搅拌轴11的中空腔体内，且电子发生器10与联轴器9的下端连接，搅拌轴11的底部与搅拌桨12连接，所述控制器6分别与超声波换能器Ⅰ2、超声波换能器II3、超声波发生器5连接，所述电子发生器10通过电缆4与超声波发生器5连接。
所述电子发生器10包括金属丝13、金属板14、聚焦极15和聚焦线圈16、绝缘壳、绝缘板；所述绝缘壳内设有金属丝13、金属板14、聚焦极15、聚焦线圈16和绝缘板，所述金属丝13、聚焦线圈16分别通过电缆4与超声波发生器5连接，所述聚焦极15与金属丝13并联连接，所述金属板14通过绝缘板固定于绝缘壳内，且金属板14上开有孔，所述聚焦线圈16为一组铜制线圈，聚焦极15的中间空隙、金属板14上的孔、聚焦线圈16的中间空隙，三者对齐位于同一直线上。
所述金属丝13为钨丝，直径为0.5mm。
所述搅拌轴11内部的中空腔体为倒圆锥形结构。
所述控制器6包括CPU、超声波换能器驱动电路，所述CPU与超声波换能器驱动电路电连接，所述超声波换能器驱动电路包括次级多抽头匹配变压器、数字电感串联匹配网络、超声波换能器电压有效值检测原件和超声波换能器电流电压相位差的检测原件，所述次级多抽头匹配变压器包括初级线圈和次级多抽头线圈，次级多抽头匹配变压器的初级线圈与超声波发生器5连接，次级多抽头匹配变压器的一个抽头次级线圈与数字电感匹配网络连接后再依次与超声波换能器Ⅰ2、超声波换能器II3串联，所述超声波换能器电压有效值检测原件和超声波换能器电流电压相位差的检测原件，分别并接于超声波换能器Ⅰ2、超声波换能器II3与数字电感串联匹配网络之间，用于将超声波换能器Ⅰ2、超声波换能器II3的电压有效值和电压与电流的相位差实时反馈给数字电感匹配网络进行匹配调节。
所述电机轴8和联轴器9上分别开有供导线穿过的孔。
本电子超声纳米微粒悬浮液分散装置进行分散的方法，具体步骤如下：
将已加入去离子水的烧杯置入分散槽1中，启动电子超声波分散装置，选择工作方式，接着向烧杯加入表面活性剂，启动电机7让搅拌桨12搅拌活性剂混合液直至活性剂全部溶解，然后将待分散的纳米颗粒加入到烧杯中，同时启动电子发生器10，此时电子发生器10的金属丝13的表面产生大量的热电子，热电子从阴极金属丝逸出的初速度为v1≈0，热电子在聚焦极15和加速电场的作用下从金属板14的孔中穿出，经加速电压U加速后其速度为v2，则：
Figure GDA0002894658250000051
在聚焦线圈16聚束后，经搅拌轴11的内腔射入悬浮液并依附于悬浮液颗粒表面，使颗粒间具有相互排斥的作用力，此时在搅拌作用下表面活性剂能最大限度地包覆单个纳米颗粒，使微粒悬浮液的分散效果达最佳状态。
超声波发生器5在控制器6的CPU控制下可输出低、中、高三种所需频率的点能量；超声波换能器Ⅰ2、超声波换能器II3通过超声波换能器驱动电路的控制可减小在使用过程中出现的发热、老化以及磨损等导致的谐振频率漂移现象并且可以使其在三个频率点附近产生谐振，将这三个频率点称为低频点LP、中频点MP、高频点HP，这三个频率点所需的频率范围分别是低频点LP:20～25KHz、中频点MP:45～50KHz、高频点HP:90～100KHz。因此在控制开关的控制下，本装置的超声波换能器有以下三种工作模式：分散槽1底面组单独工作、分散槽1侧面组单独工作、分散槽1的底面组和侧面组同时工作，因此本装置共有20种工作方式：
第一种工作模式/第二种工作模式，只有底部组/侧面组的超声波换能器单独工作：
1)单频工作状态：低频(LP)工作状态；
2)单频工作状态：中频(MP)工作状态；
3)单频工作状态：高频(HP)工作状态；
4)双频工作状态：低频(LP)+中频(MP)交替工作状态；
5)双频工作状态：低频(LP)+高频(HP)交替工作状态；
6)双频工作状态：中频(MP)高频(HP)交替工作状态；
7)三频工作状态：低频(LP)+中频(MP)+高频(HP)交替工作状态。第三种工作模式，底部组和侧面组的超声波换能器同时工作：
1)双频工作状态：LP底+LP侧双频同时工作状态；
2)双频工作状态：MP底+MP侧双频同时工作状态；
3)双频工作状态：HP底+HP侧双频同时工作状态；
4)双频工作状态：LP底+MP侧双频同时工作状态；
5)双频工作状态：LP底+HP侧双频同时工作状态；
6)双频工作状态：MP底+HP侧双频同时工作状态；
底部组换能器在分散槽内产生纵向传播的声波，侧面组换能器在分散槽内产生横向传播的声波，当底面组和侧面组同时工作时在分散槽内即产生纵向传播的声波同时又产生横向传播的声波。
实施例2：本实施例结构同实施例1，不同之处在于，所述金属丝13的直径为0.8mm，所述搅拌轴11的底部通过键和紧定螺钉与搅拌桨12连接。
实施例3：本实施例结构同实施例1，不同之处在于，所述金属丝13的直径为1mm。
上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (7)

1.一种电子超声纳米微粒悬浮液分散装置，其特征在于，包括分散槽(1)、一个以上的超声波换能器Ⅰ(2)、一个以上的超声波换能器II(3)、电缆(4)、超声波发生器(5)、控制器(6)、电机(7)、联轴器(9)、电子发生器(10)、搅拌轴(11)、搅拌桨(12)；
所述一个以上的超声波换能器Ⅰ(2)、一个以上的超声波换能器II(3)分别安装在分散槽(1)的底面或侧面，且一个以上的超声波换能器Ⅰ(2)、一个以上的超声波换能器II(3)分别通过电缆(4)与超声波发生器(5)连接，所述电机(7)通过支架固定在分散槽(1)的上方，所述电机(7)的电机轴(8)与联轴器(9)通过螺纹连接，联轴器(9)与搅拌轴(11)的顶部通过螺栓连接，搅拌轴(11)的底部伸入分散槽(1)内，所述搅拌轴(11)内部设有中空腔体，中空腔体的底部设有孔，所述电子发生器(10)位于搅拌轴(11)的中空腔体内，且电子发生器(10)与联轴器(9)的下端连接，搅拌轴(11)的底部与搅拌桨(12)连接，所述控制器(6)分别与一个以上的超声波换能器Ⅰ(2)、一个以上的超声波换能器II(3)、超声波发生器(5)连接，所述电子发生器(10)通过电缆(4)与超声波发生器(5)连接；
所述电子发生器(10)包括金属丝(13)、金属板(14)、聚焦极(15)和聚焦线圈(16)、绝缘壳、绝缘板；所述绝缘壳内设有金属丝(13)、金属板(14)、聚焦极(15)、聚焦线圈(16)和绝缘板，所述金属丝(13)、聚焦线圈(16)分别通过电缆(4)与超声波发生器(5)连接，所述聚焦极(15)与金属丝(13)并联连接，所述金属板(14)通过绝缘板固定于绝缘壳内，且金属板(14)上开有孔，所述聚焦线圈(16)为一组铜制线圈，聚焦极(15)的中间空隙、金属板(14)上的孔、聚焦线圈(16)的中间空隙，三者对齐位于同一直线上。
2.根据权利要求1所述的电子超声纳米微粒悬浮液分散装置，其特征在于：所述金属丝(13)为钨丝，直径为0.5～1mm。
3.根据权利要求1所述的电子超声纳米微粒悬浮液分散装置，其特征在于：所述搅拌轴(11)内部的中空腔体为倒圆锥形结构。
4.根据权利要求1所述的电子超声纳米微粒悬浮液分散装置，其特征在于：所述搅拌轴(11)的底部通过键和紧定螺钉与搅拌桨(12)连接。
5.根据权利要求1所述的电子超声纳米微粒悬浮液分散装置，其特征在于：所述控制器(6)包括CPU、超声波换能器驱动电路，所述CPU与超声波换能器驱动电路电连接，所述超声波换能器驱动电路包括次级多抽头匹配变压器、数字电感串联匹配网络、超声波换能器电压有效值检测原件和超声波换能器电流电压相位差的检测原件，所述次级多抽头匹配变压器包括初级线圈和次级多抽头线圈，次级多抽头匹配变压器的初级线圈与超声波发生器(5)连接，次级多抽头匹配变压器的任意一个抽头次级线圈与数字电感匹配网络连接后再依次与一个以上的超声波换能器Ⅰ(2)、一个以上的超声波换能器II(3)串联，所述超声波换能器电压有效值检测原件和超声波换能器电流电压相位差的检测原件，分别并接于一个以上的超声波换能器Ⅰ(2)、一个以上的超声波换能器II(3)与数字电感串联匹配网络之间，用于将一个以上的超声波换能器Ⅰ(2)、一个以上的超声波换能器II(3)的电压有效值和电压与电流的相位差实时反馈给数字电感匹配网络进行匹配调节。
6.根据权利要求1所述的电子超声纳米微粒悬浮液分散装置，其特征在于：所述电机轴(8)和联轴器(9)上分别开有供导线穿过的孔。
7.权利要求1～6任一所述的电子超声纳米微粒悬浮液分散装置进行分散的方法，其特征在于，具体步骤如下：
将已加入去离子水的烧杯置入分散槽(1)中，启动电子超声波分散装置，选择工作方式，接着向烧杯加入表面活性剂，启动电机(7)让搅拌桨(12)搅拌活性剂混合液直至活性剂全部溶解，然后将待分散的纳米颗粒加入到烧杯中，同时启动电子发生器(10)，此时电子发生器(10)的金属丝(13)的表面产生大量的热电子，热电子在聚焦极(15)和加速电场的作用下从金属板(14)的孔中穿出，在聚焦线圈(16)聚束后，经搅拌轴(11)的内腔射入悬浮液并依附于悬浮液颗粒表面，使颗粒间具有相互排斥的作用力，此时在搅拌作用下表面活性剂能最大限度地包覆单个纳米颗粒，使微粒悬浮液的分散效果达最佳状态。
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