CN110082478B - 一种由含硒的表面活性剂控制的开关电路及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种由含硒的表面活性剂控制的开关电路及其应用，属于功能材料领域。本发明使用了烷基二硒醚合成的烷基亚硒酸盐作为开关型表面活性剂，其结构特征用如下通式(1)表示CH3(CH2)nSeOO‑M+，其中n为11至15的整数，M+为钠离子，钾离子或铵根离子，与毛细效应相结合连接电路组建了化学型开关电路。本发明将开关型表面活性剂、毛细效应与物理电路结合，原料简单易得，组建装置安全方便，循环条件温和简单，无特殊设备要求，本发明的化学型开关电路将化学试剂的可逆转换反应与传统物理电路连接，区别于其他物理控制开关电路，可实现简单电路开关循环。

Description

一种由含硒的表面活性剂控制的开关电路及其应用
技术领域
本发明涉及一种由含硒的表面活性剂控制的开关电路及其应用，属于功能材料领域。
背景技术
表面活性剂素有“工业味精”的美称，随着世界经济和科学技术的发展，表面活性剂几乎渗透到一切生产及技术领域，例如化工、食品、印染等领域。其中，开关型表面活性剂是通过一定环境刺激，能够引发溶液中表面活性剂分子结构的变化，从而使其相应的表面活性发生可逆改变，导致体系表面张力出现消失或者出现的表面活性剂。开关型表面活性剂的性质使得其常被用于环境修复领域，实现表面活性剂的再生并降低其对环境的影响。
毛细效应是一种宏微过度与宏微联系的尺寸引发的现象，是由不同相之间表面张力相互作用而引起的压力差产生的，可表现为毛细管路中毛细液柱上升和下降两种现象，其中液面上升高度与液体表面张力成正比。
现有的开关控制电路主要是光电、超声波、声控、压力、温度、湿度、气体、振动加速度和位移等开关调控因素的，但大多数都是局限于物理性的开关控制，物理性的开关控制容易存在损耗或者成本高的问题。
发明内容
【技术问题】
现有技术的物理性开关控制电路存在易损耗以及成本高的问题。
【技术方案】
为了解决现有物理性电路控制的局限，本发明提供了一种由含硒以酸/碱为介导的氧化还原型开关离子表面活性剂与毛细效应结合组建的化学型开关电路控制及其应用，通过调节表面活性剂的pH即可实现电路的接通或者断开，实现开关控制，本发明组建的电路简单安全，原料易得，成本低且无特殊设备要求。
具体的，本发明的技术方案为：一种由含硒的表面活性剂控制的开关电路，所述开关电路包括电源1、电流表2、毛细管5和反应容器4，其中，所述反应容器4内部装有表面活性剂溶液6，所述毛细管5竖直悬空于在反应容器4中，且所述毛细管的最高点高于表面活性剂溶液6的液面，最低点低于表面活性剂溶液6的液面，电源1的一极与电流表2的一端相连，电流表2的另一端与第一导线3的一端相连，第一导线3的另一端位于表面活性剂溶液6中，所述电源1的另一极与第二导线7相连，第二导线7的末端悬空位于毛细管5内，且位于毛细管5内液面的上方。
在本发明的一种实施方式中，所述第一导线3的末端位于毛细管5的正下方。
在本发明的一种实施方式中，所述第一导线3和第二导线7为银导线。
在本发明的一种实施方式中，所述表面活性剂溶液为浓度为0.008-0.01mol/L的烷基亚硒酸盐水溶液，其中，所述烷基亚硒酸盐的通式为：
CH3(CH2)nSeOOM，其中，n为11～15的整数，M+为钠离子，钾离子或铵根离子。
在本发明的一种实施方式中，所述毛细管5优选为玻璃毛细管，优选为带有刻度的玻璃毛细管。
在本发明的一种实施方式中，所述毛细管5通过机械连接或者粘结的方式进行固定。
在本发明的一种实施方式中，所述电源优选为可充电电源。
其次，本发明还提供了上述开关电路的使用方法，所述方法为：将烷基亚硒酸盐倒入反应容器4中，按照上述开关电路的结构安装电路，当加入酸调节表面活性剂溶液pH为1-7时，毛细管内的毛细液柱上升，使得第一导线和第二导线通过水溶液接通形成电路回路，当加入碱调节表面活性剂溶液pH为8-12，毛细管中毛细液柱下降，使得第一导线和第二导线无法接通形成电路回路，使回路断开，从而实现开关控制的功能。
在本发明的一种实施方式中，当将烷基亚硒酸盐倒入反应容器中，并在反应容器中安置刻有刻度格数的玻璃毛细管，并放于25-30℃下恒温水浴中恒温十分钟使玻璃毛细管中毛细高度稳定不变，再进行加酸或加碱操作。
在本发明的一种实施方式中，所述使用方法可以通过循环加酸或加碱实现电路的多次开关。
在本发明的一种实施方式中，所述酸为HCl、HBr、H3PO4或CH3COOH中的任一种；所述碱为四甲基乙二胺、三丙胺、三乙胺、NaOH、Na2CO3、NaHCO3或KOH中的任一种。
在本发明的一种实施方式中，当加入酸时，烷基亚硒酸盐被还原成二硒醚，表现为无表面活性作用，溶液表面张力复原变大，毛细管中毛细液柱上升；当加入碱时，二硒醚被氧化为烷基亚硒酸盐，再次表现为有表面活性作用，溶液表面张力减小，毛细管中毛细液柱下降，以此循环反复实现可控可逆的毛细高度变化，从而实现电路的开关。
本发明还提供了上述开关电路的应用。
本发明的有益效果是：
(1)本发明将开关型表面活性剂、毛细效应与物理电路结合，原料简单易得，组建装置安全方便，循环条件温和简单，无特殊设备要求，成本更低。
(2)本发明的开关型表面活性剂可以通过酸/碱为介导开启氧化还原的循环，并使得其能够简单地在有无表面活性之间可逆转换，从而实现电路开关的作用；在循环转化中，可以通过控制pH使得玻璃毛细管中毛细液柱发生较明显且稳定的高度变化差，使得电路能够稳定实现断开与连接的开关效应；此外，本发明还拓宽了表面活性剂的新的应用。
(3)相比于旧式物理电路装置，本发明通过简单的化学方法即可实现在温和安全条件下进行可逆反应调控的开关功能，使得开关电路安全性能有所提高；本发明的原料用量少，工艺制造成本也有所降低；本发明的开关电路可以运用到日常需要一定安全性能的电路中，例如，可以把本发明这种稳定和安全性能较好、成本较低且所占体积小的开关电路运用于微小型机器人的运作中，通过一定的电流来使小型机器人启动，也可用于一些其他电器或电用机械物件的启动，以小电流连通大电流元件节省耗能等。
附图说明
图1为本发明的一种由含硒的表面活性剂控制的开关电路示意图，其中，1—电源，2—电流表，3—第一导线，4—反应容器，5—毛细管，6—为表面活性剂溶液，7—第二导线。
具体实施方式
下面结合具体实施例子，对本发明做进一步的说明解释。
实施例1
本实施例提供了一种由含硒的表面活性剂控制的开关电路，所述开关电路包括电源1、电流表2、毛细管5和反应容器4，其中，所述反应容器4内部装有表面活性剂溶液6，所述毛细管5竖直悬空于在反应容器4中，且所述毛细管的最高点高于表面活性剂溶液6的液面，最低点低于表面活性剂溶液6的液面，电源1的一极与电流表2的一端相连，电流表2的另一端与第一导线3的一端相连，第一导线3的另一端位于表面活性剂溶液6中，所述电源1的另一极与第二导线7相连，第二导线7的末端悬空位于毛细管5内，且位于毛细管5内液面的上方，所述表面活性剂溶液为浓度为0.008-0.01mol/L的烷基亚硒酸盐水溶液，所述烷基亚硒酸盐的通式为：
CH3(CH2)nSeOOM，其中，n为11～15的整数，M+为钠离子，钾离子或铵根离子。
本实施例的一种由含硒的表面活性剂控制的开关电路的组建方法如下：
第二导线安装高度的确定：将100mL浓度为0.008mol/L的十二烷基亚硒酸四甲基乙二胺盐水溶液倒入250mL的烧杯中，烧杯中安置有刻有刻度格数且内径为1.0mm的玻璃毛细管，放于30℃恒温水浴中恒温十分钟使玻璃毛细管中毛细高度稳定不变。待溶液毛细高度稳定后，用滴定管将体积分数36％的浓HCl滴加到溶液中调节PH至5，并缓慢搅拌10min后静置，此时十二烷基亚硒酸四甲基乙二胺盐被还原成十二烷基二硒醚，表现为无表面活性作用，溶液表面张力复原变大，毛细管中毛细液柱上升，每隔5min读取一次高度，待毛细管中无气泡或泡沫稳定后，标记此时毛细高度，用滴定管将体积分数为99％的浓四甲基乙二胺滴加到溶液中调节PH至8，并缓慢搅拌10min后静置，此时十二烷基二硒醚被氧化为十二烷基亚硒酸四甲基乙二胺盐，表现为有表面活性作用，溶液表面张力减小，毛细管中毛细液柱下降，每隔5min读取一次高度，待毛细管中无气泡或泡沫稳定后，标记此时毛细高度。重复上述步骤以此循环反复实现可控可逆的毛细高度变化，并记录每次循环时毛细高度以及每次循环时高度差，以此来指导后续导线的安装高度。实验中记录可得每次循环时高度在开关时基本在9mm-11mm范围内变化。
将100mL浓度为0.008mol/L的十二烷基亚硒酸四甲基乙二胺盐倒入中250mL烧杯中，烧杯中安置有刻有刻度格数且内径为1.0mm的玻璃毛细管，溶液稳定后取一根银导线悬空于毛细管内且离稳定后表面活性剂水溶液毛细管中毛细液柱一定距离，使得其能够在毛细管柱上升时能够与水溶液接触，导线的另一端与电源负极相连；取另一根银导线一端浸入十二烷基亚硒酸四甲基乙二胺盐溶液中并位于毛细管的下端穿入1cm并固定，另一端与电流表的负极相连，电流表的正极与电源的正极也通过导线连接，此时，电路呈现断开未连接状态。
待溶液毛细高度稳定后用滴定管将体积分数36％的浓HCl滴加到溶液中调节PH至5，并缓慢搅拌10min后静置，此时十二烷基亚硒酸四甲基乙二胺盐被还原成十二烷基二硒醚表现为无表面活性，溶液表面张力复原变大，毛细管中毛细液柱上升，此时毛细液柱上升后能以水溶液为介导导电使断开电路接通形成电路回路。再用滴定管将体积分数为99％的浓四甲基乙二胺滴加到溶液中调节PH至8，并缓慢搅拌10min后静置，此时十二烷基二硒醚被氧化为十二烷基亚硒酸四甲基乙二胺盐表现为有表面活性，溶液表面张力减小，毛细管中毛细液柱下降，此时毛细液柱的液面无法接触上端导线断开电路回路。重复上述步骤以此循环反复实现化学型反应开关电路元件组建。
可以重复使用10次。
实施例2
本实施例的一种由含硒的表面活性剂控制的开关电路的组建方法如下：
第二导线安装高度的确定：将100mL浓度为0.008mol/L的十四烷基亚硒酸四甲基乙二胺盐水溶液倒入250mL的烧杯中，烧杯中安置有刻有刻度格数且内径为1.0mm的玻璃毛细管，放于30℃恒温水浴中恒温十分钟使玻璃毛细管中毛细高度稳定不变。待溶液毛细高度稳定后，用滴定管将体积分数36％的浓HCl滴加到溶液中调节PH至5，并缓慢搅拌10min后静置，此时十四烷基亚硒酸四甲基乙二胺盐被还原成十四烷基二硒醚，表现为无表面活性作用，溶液表面张力复原变大，毛细管中毛细液柱上升，每隔5min读取一次高度，待毛细管中无气泡或泡沫稳定后，标记此时毛细高度，用滴定管将体积分数为99％的浓四甲基乙二胺滴加到溶液中调节PH至8，并缓慢搅拌10min后静置，此时十四烷基二硒醚被氧化为十四烷基亚硒酸四甲基乙二胺盐，表现为有表面活性作用，溶液表面张力减小，毛细管中毛细液柱下降，每隔5min读取一次高度，待毛细管中无气泡或泡沫稳定后，标记此时毛细高度。重复上述步骤以此循环反复实现可控可逆的毛细高度变化，并记录每次循环时毛细高度以及每次循环时高度差，以此来指导后续导线的安装高度。实验中记录可得每次循环时高度在开关时基本在10.4mm-11mm范围内变化。
将100mL浓度为0.008mol/L的十四烷基亚硒酸四甲基乙二胺盐倒入中250mL烧杯中，烧杯中安置有刻有刻度格数且内径为1.0mm的玻璃毛细管，溶液稳定后取一根银导线悬空于毛细管内且离稳定后表面活性剂水溶液毛细管中毛细液柱一定距离，导线的另一端与电源负极相连；取另一根银导线一端浸入十四烷基亚硒酸四甲基乙二胺盐溶液中并位于毛细管的下端穿入1cm并固定，另一端与电流表的负极相连，电流表的正极与电源的正极也通过导线连接，此时，电路呈现断开未连接状态。
待溶液毛细高度稳定后用滴定管将体积分数36％的浓HCl滴加到溶液中调节PH至5，并缓慢搅拌10min后静置，此时十四烷基亚硒酸四甲基乙二胺盐被还原成十四烷基二硒醚表现为无表面活性，溶液表面张力复原变大，毛细管中毛细液柱上升，此时毛细液柱上升后能以水溶液为介导导电使断开电路接通形成电路回路。再用滴定管将体积分数为99％的浓四甲基乙二胺滴加到溶液中调节PH至8，并缓慢搅拌10min后静置，此时十四烷基二硒醚被氧化为十四烷基亚硒酸四甲基乙二胺盐表现为有表面活性，溶液表面张力减小，毛细管中毛细液柱下降，此时毛细液柱的液面无法接触上端导线断开电路回路。重复上述步骤以此循环反复实现化学型反应开关电路元件组建。
可以重复使用8次。
实施例3
本实施例的一种由含硒的表面活性剂控制的开关电路的组建方法如下：
第二导线安装高度的确定：将100mL浓度为0.01mol/L的十二烷基亚硒酸四甲基乙二胺盐水溶液倒入250mL的烧杯中，烧杯中安置有刻有刻度格数且内径为0.5mm的玻璃毛细管，放于30℃恒温水浴中恒温十分钟使玻璃毛细管中毛细高度稳定不变。待溶液毛细高度稳定后，用滴定管将体积分数36％的浓HCl滴加到溶液中调节PH至5，并缓慢搅拌10min后静置，此时十二烷基亚硒酸四甲基乙二胺盐被还原成十二烷基二硒醚，表现为无表面活性作用，溶液表面张力复原变大，毛细管中毛细液柱上升，每隔5min读取一次高度，待毛细管中无气泡或泡沫稳定后，标记此时毛细高度，用滴定管将体积分数为99％的浓四甲基乙二胺滴加到溶液中调节PH至8，并缓慢搅拌10min后静置，此时十二烷基二硒醚被氧化为十二烷基亚硒酸四甲基乙二胺盐，表现为有表面活性作用，溶液表面张力减小，毛细管中毛细液柱下降，每隔5min读取一次高度，待毛细管中无气泡或泡沫稳定后，标记此时毛细高度。重复上述步骤以此循环反复实现可控可逆的毛细高度变化，并记录每次循环时毛细高度以及每次循环时高度差，以此来指导后续导线的安装高度。实验中记录可得每次循环时高度在开关时基本在20mm-24mm范围内变化。
将100mL浓度为0.01mol/L的十二烷基亚硒酸四甲基乙二胺盐倒入中250mL烧杯中，烧杯中安置有刻有刻度格数且内径为0.5mm的玻璃毛细管，溶液稳定后取一根银导线悬空于毛细管内且离稳定后表面活性剂水溶液毛细管中毛细液柱一定距离，导线的另一端与电源负极相连；取另一根银导线一端浸入十二烷基亚硒酸四甲基乙二胺盐溶液中并位于毛细管的下端穿入1cm并固定，另一端与电流表的负极相连，电流表的正极与电源的正极也通过导线连接，此时，电路呈现断开未连接状态。
待溶液毛细高度稳定后用滴定管将体积分数36％的浓HCl滴加到溶液中调节PH至5，并缓慢搅拌10min后静置，此时十二烷基亚硒酸四甲基乙二胺盐被还原成十二烷基二硒醚表现为无表面活性，溶液表面张力复原变大，毛细管中毛细液柱上升，此时毛细液柱上升后能以水溶液为介导导电使断开电路接通形成电路回路。再用滴定管将体积分数为99％的浓四甲基乙二胺滴加到溶液中调节PH至8，并缓慢搅拌10min后静置，此时十二烷基二硒醚被氧化为十二烷基亚硒酸四甲基乙二胺盐表现为有表面活性，溶液表面张力减小，毛细管中毛细液柱下降，此时毛细液柱的液面无法接触上端导线断开电路回路。重复上述步骤以此循环反复实现化学型反应开关电路元件组建。
可以重复使用9次。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (8)

1.一种由含硒的表面活性剂控制的开关电路，其特征在于，所述开关电路包括电源(1)、电流表(2)、毛细管(5)和反应容器(4)；其中，所述反应容器(4)内部装有表面活性剂溶液(6)，所述毛细管(5)竖直悬空于在反应容器(4)中，且所述毛细管的最高点高于表面活性剂溶(6)的液面，最低点低于表面活性剂溶液(6)的液面；电源(1)的一极与电流表(2)的一端相连，电流表(2)的另一端与第一导线(3)的一端相连，第一导线(3)的末端位于毛细管(5)的正下方；所述电源(1)的另一极与第二导线(7)相连，第二导线(7)的末端悬空位于毛细管(5)内，且位于毛细管(5)内液面的上方；
所述表面活性剂溶液为烷基亚硒酸盐水溶液，其中，所述烷基亚硒酸盐的通式为：
CH3(CH2)nSeOOM，
其中，n为11～15的整数，M+为钠离子，钾离子或铵根离子；
当在反应容器(4)内部加入酸将表面活性剂溶液pH调节为1-7时，毛细管内的毛细液柱上升，使得第一导线(3)和第二导线(7)通过水溶液接通形成电路回路；当加入碱调节表面活性剂溶液pH为8-12，毛细管中毛细液柱下降，使得第一导线(3)和第二导线(7)无法接通形成电路回路，使回路断开。
2.根据权利要求1所述的一种由含硒的表面活性剂控制的开关电路，其特征在于，所述第一导线(3)和第二导线(7)为银导线。
3.根据权利要求1所述的一种由含硒的表面活性剂控制的开关电路，其特征在于，所述烷基亚硒酸盐水溶液的浓度为0.008-0.01mol/L。
4.权利要求1～3任一所述的一种由含硒的表面活性剂控制的开关电路的使用方法，其特征在于，所述方法为：将烷基亚硒酸盐倒入反应容器(4)中，按照上述开关电路的结构安装电路，当加入酸将表面活性剂溶液pH调节为1-7时，毛细管内的毛细液柱上升，使得第一导线(3)和第二导线(7)通过水溶液接通形成电路回路，当加入碱调节表面活性剂溶液pH为8-12，毛细管中毛细液柱下降，使得第一导线(3)和第二导线(7)无法接通形成电路回路，使回路断开，从而实现开关控制的功能。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述酸为HCl、HBr、H3PO4或CH3COOH中的任一种。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述碱为四甲基乙二胺、三丙胺、三乙胺、NaOH、Na2CO3、NaHCO3或KOH中的任一种。
7.包含权利要求1～3任一所述的一种由含硒的表面活性剂控制的开关电路的环境修复领域中的设备。
8.权利要求1～3任一所述的一种由含硒的表面活性剂控制的开关电路在环境修复领域中的应用。
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