CN112844271A - 一种溶液结晶的超声悬浮装置及实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种溶液结晶的超声悬浮装置及实验方法；包括超声发生器、超声换能器、变幅杆、发射端、示波器、超声探头和反射板；所述超声换能器设置有两个，一个超声换能器通过变幅杆连接发射端，另一个超声换能器固定在反射板上；发射端位于反射板上方；示波器连接超声探头，用于检测实验装置的超声频率以及电压幅值；本发明先在弱谐振状态下注射水滴在反射板表面上，然后调节反射板下方的超声换能器，通过超声振动使得反射板处水滴上下起跳，将注射水滴与超声振动反射板这两个动作分开进行，避免同时操作造成混乱的问题，无需操作者具有很高的实验经验。
Description
技术领域
本发明属于材料悬浮无容器处理技术领域，尤其涉及一种溶液结晶的超声悬浮装置及实验方法。
背景技术
近年来，超声波在物理、生物、医学、测量以及工业等学科和领域中已经获得了广泛的关注和应用。在合成化学、高分子化学、电化学、萃取与浸取、乳化与破乳和凝聚等过程中的应用屡见报道﹐但对超声场强化结晶过程的研究却并不多，特别是超声用于溶液结晶过程的研究很少,且大多处于实验室研究阶段。采用适宜的功率超声，能通过影响结晶过程的热力学和动力学过程，从而控制结晶过程，影响结晶行为，获得不同需求的晶体。
一般认为，超声波对结晶的影响，主要是通过空化作用进行的，在溶液中传播的超声波存在一个正负压强的交变周期，使溶液中的介质断裂形成微泡，产生的空化作用，促使结晶-溶解可逆反应向着结晶方向进行。与其他刺激起晶法和投种起晶法相比，超声波成核所要求的过饱和度较低，生长速度快，所得的晶核较均匀、完整、光洁，晶核和成品晶体尺寸分布范围较小，变异系数较低。广泛应用在化工、制药以及轻工等方面的精制技术。
现有技术中的结晶方法主要通过加入溶剂和控制结晶温度导致溶液过饱和，完成结晶过程，但操作过程繁琐复杂、所得产品粒度分布不均、成核时间久，品质较差。
针对以上问题，故，有必要对其进行改进。
发明内容
本发明克服了过饱和度溶液难以成核、品质无法保证的问题，提出一种溶液结晶的超声悬浮装置及实验方法，其属于无接触、无污染、操作方法简单的装置，以期待解决目前溶液结晶处理过程中的难以成核，空化作用带来腐蚀反应器，机械振动大，噪音大问题。
为了达到以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种溶液结晶的超声悬浮装置，包括超声发生器、超声换能器、变幅杆、发射端、示波器、超声探头和反射板；所述超声换能器设置有两个，一个超声换能器通过变幅杆连接发射端，另一个超声换能器固定在反射板上；发射端位于反射板上方；示波器连接超声探头，用于检测实验装置的超声频率以及电压幅值。
作为本发明的一种优选方案，所述超声探头固定在反射板上的换能器频率范围是20千赫兹至60千赫兹。
作为本发明的一种优选方案，所述反射板表面形状为中间带尖平面。
作为本发明的一种优选方案，所述反射板表面为超疏水表面。
作为本发明的一种优选方案，所述反射板表面喷涂有青山TIS纳米涂层。
作为本发明的一种优选方案，所述超声波发生器、超声换能器以及变幅杆之间具有电信号连接，超声波发生器发出的高频交流电信号，驱动超声换能器工作。
一种溶液结晶的超声悬浮装置的实验方法，包括以下步骤：
步骤一，调整超声波发生器输出高频超声电信号，通过变幅杆驱动超声换能器工作，并观测示波器显示的电压幅值，根据示波器显示的电压幅值数据确定超声悬浮装置工作在谐振状态；
步骤二，调节反射板与发射端的距离，使发射端与反射板之间的距离大于第一个谐振距离，其距离差值为第一谐振距离的10％，并使反射板的尖位于装置的中心轴线处；
步骤三，使用微量可调移液器量取体积10μl-50μl的水滴注射到反射板的尖处，并确保溶液不会被尖穿透；
步骤四，调整反射板下超声换能器的振动频率，并使用示波器连接的超声探头检测其超声频率，根据示波器显示的数据计算出可使水滴悬浮至声压节点的超声频率值。
本发明的有益效果是：
1.本发明先在弱谐振状态下注射水滴在反射板表面上，然后调节反射板下方的超声换能器，通过超声振动使得反射板处水滴上下起跳，将注射水滴与超声振动反射板这两个动作分开进行，避免同时操作造成混乱的问题，无需操作者具有很高的实验经验；
2.本发明的发射端与反射板距离大于谐振距离10％时，超声悬浮器处于弱谐振状态。注射水滴在反射板后，逐步增加超声换能器的振动频率，可避免水滴在振动过程被声场击碎而雾化；同时水滴上下起跳可促使水滴与尖接触形成空化核；
3.本发明的反射板表面为带尖的超疏水表面，首先确保水滴与反射板的润湿角大于90°，可使注射的水滴能在超声振动下上下起跳至稳定悬浮点，确保水滴的完整度；然后调节反射板下超声振动频率，增加施加在反射板上水滴向上的力，从而克服重力完成起跳。
附图说明
图1为本发明一个实施例的液滴结晶超声悬浮结构示意图。
图中附图标记：超声波发生器1，超声换能器2，变幅杆3，发射端4，溶液5，示波器6，超声探头7，反射板8。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例：
本发明提供的一种溶液结晶的超声悬浮装置，包括超声发生器1、超声换能器2、变幅杆3、发射端4、示波器6、超声探头7和反射板8；所述超声换能器2设置有两个，一个超声换能器2通过变幅杆3连接发射端4，另一个超声换能器2固定在反射板8上；发射端4位于反射板8上方；示波器6连接超声探头7，用于检测实验装置的超声频率以及电压幅值；本发明先在弱谐振状态下注射水滴在反射板表面上，然后调节反射板下方的超声换能器，通过超声振动使得反射板处水滴上下起跳，将注射水滴与超声振动反射板这两个动作分开进行，避免同时操作造成混乱的问题，无需操作者具有很高的实验经验。
具体的，超声波发生器1、超声换能器2以及变幅杆3之间具有电信号连接，超声波发生器1发出的高频交流电信号，驱动超声换能器2工作；变幅杆3可把机械振动的质点位移放大，并将超声能量集中在较小的面积上。
超声探头7固定在反射板8上的换能器频率范围是20千赫兹至60千赫兹。
反射板8表面形状为中间带尖平面；反射板8表面喷涂有青山TIS纳米涂层，反射板8表面为超疏水表面；具体的，反射板表面为带尖的超疏水表面，首先确保水滴与反射板的润湿角大于90°，可使注射的水滴能在超声振动下上下起跳至稳定悬浮点，确保水滴的完整度；然后调节反射板下超声振动频率，增加施加在反射板上水滴向上的力，从而克服重力完成起跳。
一种溶液结晶的超声悬浮装置的实验方法，包括以下步骤：
步骤一，调整超声波发生器1输出高频超声电信号，通过变幅杆3驱动超声换能器2工作，并观测示波器6显示的电压幅值，根据示波器6显示的电压幅值数据确定超声悬浮装置工作在谐振状态；
步骤二，调节反射板8与发射端4的距离，使发射端4与反射板8之间的距离大于第一个谐振距离，其距离差值为第一谐振距离的10％，并使反射板8的尖位于装置的中心轴线处；
步骤三，使用微量可调移液器量取体积10μl-50μl的水滴注射到反射板的尖处，并确保溶液5不会被尖穿透；
步骤四，调整反射板8下超声换能器2的振动频率，并使用示波器6连接的超声探头7检测其超声频率，根据示波器6显示的数据计算出可使水滴悬浮至声压节点的超声频率值。
本实施例中，保持其他条件不变,通过改变超声发生器1的输出频率,观察示波器6接收到得超声波信号幅度,出现极大值时对应的频率就是谐振频率，表明换能器2和变幅杆3工作在谐振状态。本实施例中谐振频率为27KHz。
当超声换能器2和变幅杆3处于谐振状态后，调整反射板8与发射端4间距为7.9mm，大于第一谐振距离(7.2mm)10％。使用微量可调移液器量40μl水滴注射到反射板8表面中间带尖处。由于反射板表面为超疏水表面，水滴与反射端不润湿。调整反射板底部换能器2，通过振动给与反射板8上溶液5一个向上的力，水上下表面的压力差使水滴受到向上的声辐射力，水滴在外力结合声辐射力的作用下克服重力而脱离超疏水反射板起跳至悬浮状态，同时由于反射板8中间带尖，与溶液形成微小冲击，可形成单一微空化核。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现；因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
尽管本文较多地使用了图中附图标记：超声波发生器1，超声换能器2，变幅杆3，发射端4，溶液5，示波器6，超声探头7，反射板8等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
Claims (7)
1.一种溶液结晶的超声悬浮装置，其特征在于：包括超声发生器(1)、超声换能器(2)、变幅杆(3)、发射端(4)、示波器(6)、超声探头(7)和反射板(8)；所述超声换能器(2)设置有两个，一个超声换能器(2)通过变幅杆(3)连接发射端(4)，另一个超声换能器(2)固定在反射板(8)上；发射端(4)位于反射板(8)上方；示波器(6)连接超声探头(7)，用于检测实验装置的超声频率以及电压幅值。
2.根据权利要求1所述的一种溶液结晶的超声悬浮装置，其特征在于：所述超声探头(7)固定在反射板(8)上的换能器频率范围是20千赫兹至60千赫兹。
3.根据权利要求2所述的一种溶液结晶的超声悬浮装置，其特征在于：所述反射板(8)表面形状为中间带尖平面。
4.根据权利要求3所述的一种溶液结晶的超声悬浮装置，其特征在于：所述反射板(8)表面为超疏水表面。
5.根据权利要求4所述的一种溶液结晶的超声悬浮装置，其特征在于：所述反射板(8)表面喷涂有青山TIS纳米涂层。
6.根据权利要求1所述的一种溶液结晶的超声悬浮装置，其特征在于：所述超声波发生器(1)、超声换能器(2)以及变幅杆(3)之间具有电信号连接，超声波发生器(1)发出的高频交流电信号，驱动超声换能器(2)工作。
7.一种如权利要求1-6之任意所述的溶液结晶的超声悬浮装置的实验方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一，调整超声波发生器(1)输出高频超声电信号，通过变幅杆(3)驱动超声换能器(2)工作，并观测示波器(6)显示的电压幅值，根据示波器(6)显示的电压幅值数据确定超声悬浮装置工作在谐振状态；
步骤二，调节反射板(8)与发射端(4)的距离，使发射端(4)与反射板(8)之间的距离大于第一个谐振距离，其距离差值为第一谐振距离的10％，并使反射板(8)的尖位于装置的中心轴线处；
步骤三，使用微量可调移液器量取体积10μl-50μl的水滴注射到反射板的尖处，并确保溶液(5)不会被尖穿透；
步骤四，调整反射板(8)下超声换能器(2)的振动频率，并使用示波器(6)连接的超声探头(7)检测其超声频率，根据示波器(6)显示的数据计算出可使水滴悬浮至声压节点的超声频率值。
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