CN114324504A

CN114324504A - 一种基于电荷存储材料的液滴计数装置制备方法

Info

Publication number: CN114324504A
Application number: CN202111462049.5A
Authority: CN
Inventors: 邰艳龙; 邓毅; 霍尔虎特; 刘志勇; 李光林; 邓新平
Original assignee: Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Current assignee: Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Priority date: 2021-12-02
Filing date: 2021-12-02
Publication date: 2022-04-12
Anticipated expiration: 2041-12-02
Also published as: CN114324504B

Abstract

本发明公开了一种基于电荷存储材料的液滴计数装置制备方法。该方法包括：将电荷存储材料的母体材料溶于乙酸乙酯，并加入二氧化钛溶胶，得到混合溶液；将所述混合溶液在加温条件下进行搅拌；将搅拌后的混合溶液倒入培养皿中，经烘烤使溶剂蒸发，并经冷却后得到样品膜；将获得的样品膜放置在电极偏振装置中进行极化处理，获得电荷存储材料，所述电荷存储材料能够基于静电感应原理产生势场。利用本发明的电荷存储材料制备液滴计数装置可以快速有效识别液滴种类、浓度、大小及速度等液滴信息。

Description

一种基于电荷存储材料的液滴计数装置制备方法

技术领域

本发明涉及材料技术领域，更具体地，涉及一种基于电荷存储材料的液滴计数装置制备方法。

背景技术

输液亦称挂水或打点滴，是目前常规的疾病治疗方法之一。相较于口服药及皮下注射等方式，输液作为一种快速、高效的治疗方式，越来越受到欢迎。在输液的过程中，人们可以通过输液器对液体的滴速进行调整，从而使液体能够持续而稳定地进入静脉，以达到补充人体体液、电解质或提供营养物质等目的。因此，需要尽量避免因输液输错药物、输快药物等导致医疗事故。此外，液滴计数器也广泛用于石油化工、科研教学等领域，可见液滴计数技术对生产生活有着举足轻重的作用。因此，迫切需要开发一项能识别液滴种类、浓度、大小及速度的计数方法来防止相关事故的发生，然而，目前很少有能同时识别液滴种类、浓度、大小及速度等相关技术报道。

例如，目前大多数液滴计数器是基于红外线技术，如专利申请CN201920388584.2和CN201920140495.6等液滴计数器，当液滴穿过发射器、接收器之间时，发射器的光线会被短暂遮挡或光束强度发生变化，从而使得接收器没有电信号或电信号强度发生变化，然后推算液滴的滴速及液滴数。又如，专利申请CN201510056731.2公开了一种热感式滴水表及滴水测量方法，利用温差来判别水滴流量。

综上，市面上常见的液滴计数器主要是基于物理原理即红外线感应原理装置和热感应原理装置。红外线感应原理装置的核心器件包括红外线发射装置(激光电路)、红外线接收光电门(光电接收电路)及相关配套设施。热感应原理装置主要包括环境温度传感器、流体温度传感器及相关配套设施。这些现有的液滴计数器往往仅能识别液滴的速度和滴数，识别精度差、功能也相对单一，在实际应用场景中捉襟见肘。并且，现有的液滴计数器安装麻烦、体积相对臃肿，成本也相对高昂。因此需要寻求新的液滴计数技术来弥补现有液滴计数器的不足。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种基于电荷存储材料的液滴计数装置制备方法。

根据本发明的第一方面，提供一种基于电荷存储材料的液滴计数装置制备方法。该方法包括以下步骤：

将电荷存储材料的母体材料溶于乙酸乙酯，并加入二氧化钛溶胶，得到混合溶液；

将所述混合溶液在加温条件下进行搅拌；

将搅拌后的混合溶液倒入培养皿中，经烘烤使溶剂蒸发，并经冷却后得到样品膜；

将获得的样品膜放置在电极偏振装置中进行极化处理，获得电荷存储材料，所述电荷存储材料能够基于静电感应原理产生势场。

根据本发明的第二方面，提供一种液滴计数装置，该装置本发明上述方法获得的电荷存储材料制备，在液滴流经过程中，根据所述液滴计数装置的电荷储能材料内部势场变化来确定液滴相关信息。

与现有技术相比，本发明的优点在于，提供一种基于电荷存储材料的新型液滴计数材料制备方法，经过掺杂改性后，可以快速有效检测液滴信息，能够有效识别液滴种类、浓度、大小及速度等液滴信息，弥补了当前液滴计数技术的短板；此外，与传统的液滴计数技术相比，本发明除了具有多功能识别液滴信息外，还具有响应迅速、识别精度高、成本低廉等优势，可广泛用于工业生产和实验研究。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。

图1是根据本发明一个实施例的实验原理简图；

图2是根据本发明一个实施例的实验装置示意图；

图3是根据本发明一个实施例的对于不同种类液滴的响应电压示意图；

图4是根据本发明一个实施例的对于NaCl不同液滴浓度的响应电压示意图；

图5是根据本发明一个实施例的对于NaCl不同液滴体积的响应电压示意图；

图6是根据本发明一个实施例的对于不同液滴速度的响应电压示意图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：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。

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。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、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说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何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例子可以具有不同的值。

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。

本发明提供基于电荷存储材料的静电感应原理来制备液滴计算装置并提供相应的监测液滴信息的方法。

静电感应原理是，一个带电的物体与不带电的导体相互靠近时由于电荷间的相互作用，会使导体内部的电荷重新分布，异种电荷被吸引到带电体附近，而同种电荷被排斥到远离带电体的导体另一端。例如，电荷存储材料与不带电的液滴相互靠近时由于电荷间的相互作用，会使导体内部的电荷重新分布，异种电荷被吸引到带电体附近，而同种电荷被排斥到远离带电体的导体另一端。

电荷存储材料液滴计数原理是基于静电感应原理制备的。电荷存储材料是一种自身带电的材料，具有优良的电荷贮存能力，且电荷能够长时间存在，即电荷存储材料能产生内部和外部的势场，当不同液滴靠近电荷存储材料时，电荷存储材料平衡会被打破，其电势会发生相应的改变。通过电荷存储材料势场的改变，可进一步获得液滴的相关信息，包括液滴种类、浓度、大小及速度等。

以下以将聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作为电荷存储材料的母体材料为例进行说明。

具体地，制备电荷存储材料包括：

步骤S110，将5g PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)溶于50mL CH₃COOC₂H₅(乙酸乙酯)中混合，然后加入一定量的二氧化钛溶胶，均匀混合得到混合溶液。

步骤S120，将混合溶液在加温条件下(如45℃)剧烈搅拌一段时间(如120min)。

步骤S130，将一定量的混合溶液倒入超级扁平的培养皿中，然后放入烤箱中烘烤(如设置为80℃)，直到溶剂蒸发。冷却后，得到T-PMMA膜，随后将样品放置在电极偏振装置中极化。

步骤S140，去极化的样品可进一步制备为液滴计数装置，例如，制备为液滴流经的管道，用于检测液滴的种类、浓度、体积、速度等。

在一个实施例中，母体材料包含但不限于PMMA、PTEF(聚四氟乙烯)、PP(高聚物聚丙烯)、EVA、等常规电荷存储材料。

在一个实施例中，母体材料中还包含掺杂材料，所述掺杂材料包括但不限于TiO₂(二氧化钛)、BaTO₃、SnO₂(二氧化锡)等。当对电荷储能材料进行TiO₂掺杂改性后，所制备的材料能够储存更多更稳定的电荷，进而用于监测液滴信息时，对液滴信息能有更好的响应。

在一个实施例中，极化处理包括但不限于热极化法、电晕充电法、电击穿充电法、电子束辐照充电法、液体接触充电法、穿透辐照充电法等。

为进一步验证本发明的效果，进行了实验。经过模拟(例如采用COMSOL)及实验证明。

参见图1的实验原理示意图，在无液滴刺激下，电荷储能材料处于平衡态。当有不同液滴刺激电荷储能材料时，电荷储能材料平衡态被打破，电荷储能材料内部势场发生变化。

图2是实验装置示意图。当液滴刺激电荷储能材料时，电荷储能材料原本的平衡态被打破，电荷储能材料内部势场发生变化，通过信号检测装置进行监测，然后经处理器进行信号处理得到刺激液滴的相关信息。例如，单位时间波峰数对应液滴频率，波峰总数对应液滴数，波峰强弱与液滴的种类、大小、速度等液滴信息相关。

图3是离子类型监测示意图。所有离子浓度均为0.1M、测试速度为10cm/s。由图3可知，随着离子强度的增加，单位容量的离子电荷增加，响应电压(Responded Voltage)显示出规律性的增加。电离水(H₂O)没有可检测的响应电压，NH₃·H₂O溶液中OH^-含量低，与Cl^-相比，产生的响应电压较低，离子强度(Cl^-＜SO₄ ^2-小于PO₄ ³⁺)，相应的响应电压也增加。

图4是液滴浓度(Concentration)识别示意图。实验表明，随着NaCl(氯化钠)浓度的增加，响应电压先增加后减小。当NaCl浓度从0.001M增加到0.01M的情况下，单位离子电荷增加是其响应电压增加的主要原因。当NaCl浓度从0.01M继续增加时，笼蔽效应随着离子浓度的增加而增强，因而响应电压降低。可以看出在最大响应电压前的浓度范围和在最大响应电压后的浓度范围，本发明设计的电荷储能材料对浓度有较好的识别能力。

图5是液体体积(Volume)识别示意图。由图5可知，随着液滴体积的增加，离子总电荷增加，感应电压也规律性的增加。

图6是液滴速度识别示意图，随着速度(Velocity)的增加，单位时间内液滴的总电荷增加，感应电压也规律性的增加。值得注意的是，其响应电压与速度能进行较好的线性拟合。

综上所述，本发明基于电荷存储材料静电感应原理识别液滴信息。不同液滴对电荷存储材料势场的影响程度不同，通过势场变化映射液滴信息。并且通过电荷存储材料掺杂，使电荷存储材料存储更多且更稳定的电荷，对液滴信息分辨率更高。本发明可应用于医疗，石油化工等领域，如输液器上。经实验验证，本发明的基于电荷存储材料的新型液滴计数材料制备方法能够快速有效识别液滴信息。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims

1.一种基于电荷存储材料的液滴计数装置制备方法，包括以下步骤：

将所述混合溶液在加温条件下进行搅拌；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述母体材料选自PMMA、PTEF、PP或EVA。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述母体材料还包含掺杂材料。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述掺杂材料选自TiO₂、BaTO₃或SnO₂。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将加温条件设置为45℃，将烘烤条件设置为80℃。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述混合溶液是将5克PMMA溶于50毫升的乙酸乙酯中获得。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述极化处理包括热极化法、电晕充电法、电击穿充电法、电子束辐照充电法、液体接触充电法、穿透辐照充电法。

8.一种液滴计数装置，该装置利用权利要求1至6中任一项所述的方法获得的电荷存储材料制备，在液滴流经过程中，根据所述液滴计数装置的电荷储能材料内部势场变化来确定液滴相关信息。

9.根据权利要求8所述的液滴计数装置，其特征在于，所述液滴相关信息包括液滴频率、液滴数、液滴种类和液滴体积中的一项或多项。

10.根据权利要求9所述的液滴计数装置，其特征在于，在液滴流经过程中，监测所述液滴计数装置的电荷储能材料随时间变化的响应电压信息，其中单位时间波峰数对应液滴频率，波峰总数对应液滴数，利用波峰强弱来确定液滴的种类、体积或速度。