CN113680524A - 一种基于Fe-PDMS复合材料的油液磨粒分离装置及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于Fe‑PDMS复合材料的油液磨粒分离装置及其制作方法。装置，包括：玻璃基底、PDMS层、微通道、永磁体、Fe‑PDMS涂层。Fe‑PDMS复合材料保留了铁的铁磁性同时又具有PDMS的良好粘性与可塑性，可较容易的以小尺寸设置于微通道一侧，在永磁体的磁化下可在微通道内形成可观的磁场梯度。Fe‑PDMS涂层可在刮涂时选择不同凹状模具以形成不同结构，且外部永磁体与微通道的距离可调，可以灵活选择分离出油液中的磁性磨粒与非磁性磨粒，大尺寸磁性磨粒与小尺寸磁性磨粒。本发明通过一种新的复合材料Fe‑PDMS在微通道中产生磁场梯度，实现油液中不同大小、或磁性不同的磨粒的有效分离。该油液磨粒分离装置制作简单，效果明显，为后续油液中磨粒的计数与检测创造了有利条件。

Description

一种基于Fe-PDMS复合材料的油液磨粒分离装置及其制作 方法

技术领域

本发明涉及微颗粒分离技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于Fe-PDMS复合材料的油液磨粒分离装置及其制作方法。

背景技术

近年来，润滑油的检测在运输和制造业中变得越来越重要。使用超过有效寿命的润滑油将导致设备故障频发，而频繁的换油又会带来极高的运营成本，很多企业需要在降低成本与减少设备故障率之间找到一个理想的阈值，这也使得润滑油的检测技术得到了的广泛关注。其中设备磨损引起的金属磨粒堆积是设备故障的主要原因。

而近年来高速发展的微流控芯片技术为润滑油的分析和处理提供了新的平台。该技术将一些实验室的需求集中在一个微小的平台上，具有小型化、集成度高、样品消耗少、反应时间迅速等优点。其中，常见的微颗粒操纵方法包括：光学、磁、热、化学、声学和电学等方法。其中，具有低成本、易于实现以及磁场的非水解等特点的磁泳，非常适用于磁性和非磁性金属磨粒的分离。

磁泳是指某种颗粒在磁场中“泳动”的现象。磁泳力的大小与颗粒的粒径尺寸成正比，磁泳力的方向由颗粒与周围介质磁化率的差异决定。当颗粒的磁化率高于周围介质的磁化率，在正磁泳力的作用下，颗粒会向磁场梯度较高的区域移动。反之，如果颗粒的磁化率低于周围介质的磁化率，则会受到负磁泳力，并向磁场梯度较低的区域移动。通过在流体流动的垂直方向上施加磁泳力，不同特性的金属磨粒发生不同程度的偏转从而实现金属磨粒的分离。

发明内容

根据上述提出的技术问题，提供一种基于Fe-PDMS复合材料的油液磨粒分离装置及其制作方法。本发明通过一种新的复合材料Fe-PDMS在微通道中产生磁场梯度，可实现油液中不同大小、或磁性不同的磨粒的有效分离。该油液磨粒分离装置制作简单，效果明显，为后续油液中磨粒的计数与检测创造了有利条件。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于Fe-PDMS复合材料的油液磨粒分离装置，包括：

玻璃基底，用于刮涂Fe-PDMS涂层；

PDMS层，与所述玻璃基底贴合形成微通道；

微通道，用于使包含颗粒的流体流过，包括两个进液口和三个出液口；

永磁体，设置在所述微通道一侧，用于产生磁场；

Fe-PDMS涂层，设置在所述微通道与所述永磁体之间。

进一步地，所述PDMS层的一面设置有凹状流道，设置有凹状流道的PDMS层与所述玻璃基底贴合形成微通道。

进一步地，所述微通道的侧面30微米处设置有用于嵌入所述Fe-PDMS涂层的矩形凹槽。

进一步地，所述Fe-PDMS涂层为凸状结构，且所述Fe-PDMS涂层为1微米球形铁颗粒与PDMS按照一定比例混合成的铁磁性材料。

进一步地，所述矩形凹槽的面积大于所述Fe-PDMS涂层的面积。

进一步地，所述永磁体与所述微通道之间的距离可调。

进一步地，所述永磁体的长度大于所述Fe-PDMS涂层的长度，所述永磁体与所述Fe-PDMS涂层中心对齐且设于所述微通道的同一侧。

进一步地，所述微通道的高度等于所述Fe-PDMS涂层的高度，保证所述PDMS层与所述玻璃基底紧密贴合，贴合时保证所述Fe-PDMS涂层与所述矩形凹槽对准。

本发明还提供了一种基于上述基于Fe-PDMS复合材料的油液磨粒分离装置的制作方法，包括如下步骤：

S1、配置PDMS凝胶，将PDMS与固化剂混合并搅拌均匀，其中PDMS与固化剂的比例为10:1；

S2、配置Fe-PDMS，将1微米球形铁颗粒与PDMS凝胶混合搅拌20分钟，静置2小时，其中铁颗粒质量分数为70％；

S3、在有凸状模具的硅片上浇筑PDMS凝胶，定型后脱下裁剪形成具有微通道的PDMS层；

S4、在有凹状模具的玻璃基底上刮涂静置好的Fe-PDMS，待定型后脱去所述凹状模具以在所述玻璃基底上形成Fe-PDMS涂层；

S5、将PDMS层与玻璃基底贴合，使Fe-PDMS涂层嵌入PDMS层上的矩形凹槽；

S6、将永磁体放置在PDMS层有Fe-PDMS涂层一侧的玻璃基底上，使永磁体与Fe-PDMS涂层中心对齐，非永久性固定永磁体，使永磁体与微通道的距离可调。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的油液磨粒分离装置，通过一种新的复合材料Fe-PDMS在微通道中产生磁场梯度，可实现油液中不同大小、或磁性不同的磨粒的有效分离。该油液磨粒分离装置制作简单，效果明显，为后续油液中磨粒的计数与检测创造了有利条件。

2、本发明提供的油液磨粒分离装置，其制作方法简单，材料可商购较易获取。新型的Fe-PDMS复合材料保留了铁的铁磁性同时又具有PDMS的良好粘性与可塑性，可较容易的以小尺寸设置于微通道一侧，在永磁体的磁化下可在微通道内形成可观的磁场梯度。

3、本发明提供的油液磨粒分离装置，其Fe-PDMS涂层可在刮涂时选择不同凹状模具以形成不同结构，且外部永磁体与微通道的距离可调，可以灵活选择分离出油液中的磁性磨粒与非磁性磨粒，大尺寸磁性磨粒与小尺寸磁性磨粒。

基于上述理由本发明可在微颗粒分离等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的油液磨粒分离装置结构示意图。

图2为本发明另一种实施例提供的油液磨粒分离装置结构示意图。

图3为本发明另一种实施例提供的油液磨粒分离装置结构示意图。

图4为本发明实施例提供的油液磨粒分离装置局部俯视图。

图中：1、玻璃基底；2、PDMS层；3、微通道；31、第一进液口；32、第二进液口；33、第一出液口；34、第二出液口；35、第三出液口；4、永磁体；41、单段式Fe-PDMS涂层；42、两段式Fe-PDMS涂层；43、三段式Fe-PDMS涂层；D、永磁体与微通道的距离。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1-3所示，本发明提供了一种基于Fe-PDMS复合材料的油液磨粒分离装置，包括：

玻璃基底1，用于刮涂Fe-PDMS涂层；

PDMS层2，与所述玻璃基底1贴合形成微通道3；

微通道3，用于使包含颗粒的流体流过，包括两个进液口和三个出液口；两个进液口分别为用于流入鞘液的第一进液口31和用于流入油液的第二进液口32，三个出液口分别为用于流入分离后颗粒的第一出液口33、第二出液口34、第三出液口35；

永磁体4，设置在所述微通道3一侧，用于产生磁场；

Fe-PDMS涂层，设置在所述微通道3与所述永磁体4之间。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述PDMS层2的一面设置有凹状流道，设置有凹状流道的PDMS层2与所述玻璃基底1贴合形成微通道3。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述微通道3的侧面30微米处设置有用于嵌入所述Fe-PDMS涂层的矩形凹槽。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述Fe-PDMS涂层为1微米球形铁颗粒与PDMS按照一定比例混合成的铁磁性材料。在本实施例中，Fe-PDMS涂层包括如图1所示的单段式Fe-PDMS涂层41、如图2所示的两段式Fe-PDMS涂层42、如图3所示的三段式Fe-PDMS涂层43；在微通道3一侧设有铁磁性的新型复合材料Fe-PDMS，新型的Fe-PDMS复合材料保留了铁的铁磁性同时又具有PDMS的良好粘性与可塑性，Fe-PDMS在外部永磁体4的磁化作用下在微通道3内形成磁场梯度。在永磁体4的作用下，微通道3内靠近图1所示的单段式Fe-PDMS涂层41边缘处会有较高的磁场梯度。微通道3内靠近图2所示两段式Fe-PDMS涂层42边缘处和一个间隔处都会有较高的磁场梯度。微通道3内靠近图3所示三段式Fe-PDMS涂层43边缘处和两个间隔处都会有较高的磁场梯度。且当Fe-PDMS涂层分段越多时，在微通道3靠近Fe-PDMS涂层一侧会有更多的高磁场梯度区域。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述矩形凹槽的面积大于所述Fe-PDMS涂层的面积。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述永磁体的长度大于所述Fe-PDMS涂层的长度，所述永磁体与所述Fe-PDMS涂层中心对齐且设于所述微通道的同一侧。以保证整个Fe-PDMS涂层全部磁化。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述永磁体与所述微通道之间的距离可调。永磁体4应非永久性的固定于玻璃基底1上，以保证永磁体4与微通道3的距离D可调，永磁体4与微通道3的距离D如图4所示。当距离D变大时，永磁体4与Fe-PDMS涂层距离更远，微通道3内的磁场梯度值将变小，当距离D变小时，永磁体4与Fe-PDMS涂层距离更近，微通道3内将有更大的磁场梯度值。

本发明提供的基于Fe-PDMS复合材料的油液磨粒分离装置，其工作原理如下：

分离时用注射泵使含有金属磨粒的油液从第二进液口32流入，不含有金属磨粒的油液从第一进液口31流入作为鞘液，控制第一进液口31的流速高于第二进液口32的流速，使磨粒在没有永磁体4的作用下，即没有磁泳力时从第一出液口33流出。在有永磁体4的作用时，有磁性的金属磨粒将向微通道3有Fe-PDMS涂层的一侧偏转，因为有磁性的金属磨粒的磁化率通常大于油液的磁化率，会受到正磁泳力的作用向磁场梯度较高的区域移动。而无磁性的金属磨粒不会受到正磁泳力的作用，不会发生偏转，随流体从第一出液口33流出。粒径较小的，即受正磁泳力较弱的金属磨粒向Fe-PDMS涂层一侧偏转程度较小，最终从第二出液口34流出。粒径较大的，即受正磁泳力较强的金属磨粒向Fe-PDMS涂层一侧偏转程度较大，最终从第三出液口35流出。

当微通道3内的磁场梯度不足以使磁性较强的金属磨粒偏移至第三出液口35，或将磁性较弱的金属磨粒偏移至第二出液口34时。可以通过调小永磁体4与微通道3的距离D来增强微通道3内的磁场梯度，或者微通道3内的磁场梯度过强时，可以通过调大永磁体4与微通道3的距离D来削弱微通道3内的磁场梯度。由于工艺的限制，永磁体4与微通道3的距离D无法无限制缩小。若永磁体4与微通道3的距离D在工艺上达到最小值，仍需要更强的磁场梯度来完成分离时，可以在制作该油液磨粒分离装置时选择两段式Fe-PDMS涂层42或三段式Fe-PDMS涂层43，越多段式的Fe-PDMS涂层将能产生更高的磁场梯度值。

通过调整永磁体4与微通道3的距离D以及Fe-PDMS涂层的结构，可以灵活的控制微通道3内的磁场梯度。该油液磨粒分离装置可以实现如下情况的分离，但不限于如下情况，当第一进液口32中流入包含磁性和非磁性两种金属磨粒时，非磁性金属磨粒在鞘液的作用下从第一出液口33流出，控制微通道3内磁场梯度使磁性金属磨粒从第二液口34或第三液口35流出以实现分离。当第一进液口32中流入包含相同磁性的两种不同大小金属磨粒时，较大的金属磨粒将有更大偏移，控制微通道3内磁场梯度使其从更靠近Fe-PDMS涂层一侧的出口流出以实现分离。当第一进液口32中流入包含不同粒径大小的磁性金属磨粒和非磁性金属磨粒三种金属磨粒时，非磁性金属磨粒将从第一出液口33流出，控制微通道3内磁场梯度使粒径较小的磁性金属磨粒从第二出液口34流出，粒径较大的磁性金属磨粒从第三出液口35流出以实现分离。

综上所述，本发明提供的基于Fe-PDMS复合材料的油液磨粒分离装置，在微通道一侧设计较小尺寸的Fe-PDMS涂层，通过调整永磁体4与微通道3的距离D以及设计选择Fe-PDMS涂层的结构可灵活的实现多种情况的金属磨粒的分离。

本发明还提供了一种基于上述油液磨粒分离装置的制作方法，包括如下步骤：

S1、配置PDMS凝胶，将PDMS与固化剂混合并搅拌均匀，其中PDMS与固化剂的比例为10:1；

S2、配置Fe-PDMS，将1微米球形铁颗粒与PDMS凝胶混合搅拌20分钟，静置2小时，其中铁颗粒质量分数为70％；

S3、在有凸状模具的硅片上浇筑PDMS凝胶，定型后脱下裁剪形成具有微通道的PDMS层；

S4、在有凹状模具的玻璃基底上刮涂静置好的Fe-PDMS，待定型后脱去所述凹状模具以在所述玻璃基底上形成Fe-PDMS涂层；

S5、将PDMS层与玻璃基底贴合，使Fe-PDMS涂层嵌入PDMS层上的矩形凹槽；

S6、将永磁体放置在PDMS层有Fe-PDMS涂层一侧的玻璃基底上，使永磁体与Fe-PDMS涂层中心对齐，非永久性固定永磁体，使永磁体与微通道的距离可调。

实施例

选择合适的Fe-PDMS涂层结构的油液磨粒分离装置，将分离装置放入等离子清洗机中清洗45秒，以便于液体流动。在润滑油中混入直径15微米和4微米的球形铁颗粒以及15微米的球形铝颗粒，预处理使金属颗粒在润滑油中分布均匀。将该装置固定于显微镜操作台上，使用注射泵从第二进液口32注入混有金属颗粒的润滑油，从第一进液口31注入没有金属颗粒的润滑油作为鞘液，控制第一进液口31流速大于第二进液口32的流速。调整永磁体4与微通道3的距离D，并在显微镜下观察金属颗粒的轨迹。最终在第一出液口33收集到铝颗粒，在第二出液口34收集到4微米铁颗粒，在第三出液口35收集到15微米铁颗粒。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种基于Fe-PDMS复合材料的油液磨粒分离装置，其特征在于，包括：

玻璃基底，用于刮涂Fe-PDMS涂层；

PDMS层，与所述玻璃基底贴合形成微通道；

微通道，用于使包含颗粒的流体流过，包括两个进液口和三个出液口；

永磁体，设置在所述微通道一侧，用于产生磁场；

Fe-PDMS涂层，设置在所述微通道与所述永磁体之间。

2.根据权利要求1所述的基于Fe-PDMS复合材料的油液磨粒分离装置，其特征在于，所述PDMS层的一面设置有凹状流道，设置有凹状流道的PDMS层与所述玻璃基底贴合形成微通道。

3.根据权利要求1所述的基于Fe-PDMS复合材料的油液磨粒分离装置，其特征在于，所述微通道的侧面30微米处设置有用于嵌入所述Fe-PDMS涂层的矩形凹槽。

4.根据权利要求1所述的基于Fe-PDMS复合材料的油液磨粒分离装置，其特征在于，所述Fe-PDMS涂层为凸状结构，且所述Fe-PDMS涂层为1微米球形铁颗粒与PDMS按照一定比例混合成的铁磁性材料。

5.根据权利要求3所述的基于Fe-PDMS复合材料的油液磨粒分离装置，其特征在于，所述矩形凹槽的面积大于所述Fe-PDMS涂层的面积。

6.根据权利要求1所述的基于Fe-PDMS复合材料的油液磨粒分离装置，其特征在于，所述永磁体与所述微通道之间的距离可调。

7.根据权利要求6所述的基于Fe-PDMS复合材料的油液磨粒分离装置，其特征在于，所述永磁体的长度大于所述Fe-PDMS涂层的长度，所述永磁体与所述Fe-PDMS涂层中心对齐且设于所述微通道的同一侧。

8.根据权利要求1所述的基于Fe-PDMS复合材料的油液磨粒分离装置，其特征在于，所述微通道的高度等于所述Fe-PDMS涂层的高度，保证所述PDMS层与所述玻璃基底紧密贴合，贴合时保证所述Fe-PDMS涂层与所述矩形凹槽对准。

9.一种基于权利要求1-8中任意一项权利要求所述基于Fe-PDMS复合材料的油液磨粒分离装置的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、配置PDMS凝胶，将PDMS与固化剂混合并搅拌均匀，其中PDMS与固化剂的比例为10:1；

S2、配置Fe-PDMS，将1微米球形铁颗粒与PDMS凝胶混合搅拌20分钟，静置2小时，其中铁颗粒质量分数为70％；

S3、在有凸状模具的硅片上浇筑PDMS凝胶，定型后脱下裁剪形成具有微通道的PDMS层；

S4、在有凹状模具的玻璃基底上刮涂静置好的Fe-PDMS，待定型后脱去所述凹状模具以在所述玻璃基底上形成Fe-PDMS涂层；

S5、将PDMS层与玻璃基底贴合，使Fe-PDMS涂层嵌入PDMS层上的矩形凹槽；

S6、将永磁体放置在PDMS层有Fe-PDMS涂层一侧的玻璃基底上，使永磁体与Fe-PDMS涂层中心对齐，非永久性固定永磁体，使永磁体与微通道的距离可调。

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