CN1970161A - 对微粒进行分级的方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种对微粒进行分级的方法，其包括：将含有微粒的微粒分散液从具有入口部分和回收部分的微流道的入口部分引入该微流道；通过在重力方向上施加电场使微粒移动到微流道的内上面；将微粒分散液以层流状态输送到回收部分。所述输送步骤包括根据微粒之间的沉降速度差来对微粒进行分级。

Description

对微粒进行分级的方法及装置

技术领域

本发明涉及了对微粒进行分级的方法，更具体地说，涉及通过使用微流道来对微粒分散液中含有的微粒进行分级的方法。除此之外，本发明还涉及对微粒进行分级的装置，更具体地说，还涉及通过使用微流道来对微粒分散液中含有的微粒进行分级的装置。

背景技术

对微粒进行分级的方法包括干式分级方法和湿式分级方法。

由于在流体和微粒之间的比重有很大不同，干式分级方法可以具有较高的精确度。

另一方面，根据湿式分级方法，在液体和微粒之间的比重的差别是小的。然而，微粒在液体中易于分散。因而，特别是在微粒的尺寸范围方面，可获得高的分级精确度。在干式分级方法和湿式分级方法中，分级装置一般都有旋转部分。此外，主流的方法是通过利用离心力和惯性力的平衡来对微粒分级。然而，由于旋转部分的存在，相关的分级装置有磨损性的污染物和清洁该分级装置的问题。用于干式分级方法的分级装置，其利用“附壁效应(Coanda effect)”而不具有旋转部分，该分级装置已经商业化。然而，仍然无法获得能够高效地进行湿式分级方法的无旋转部分的分级装置。

同时，最近已经在研究在微观领域中进行化学反应和单元操作的多种方法。不产生污染物的有效地对微粒进行分级的方法和装置也已经在研究。

“采用微流道中的层流系统对微粒进行连续分级的方法的开发”(日本化学工程师学会第69届年会会刊，No.201)中提出了使用含有部分地变细的部件(收缩道)的微流道并且利用微流道中的特征性流动的分布图的方法和装置，来作为对微粒进行分级的方法和装置，这样，可以仅仅通过引入微粒对垂直于流的方向上的微粒进行分级。该文献报道该方法可以对直径为15微米和30微米的微粒进行分级。

“采用欧拉-拉格朗日(Euler-Lagrange)方法对微量分离器/分级装置内行为的研究”(日本化学工程师学会第69届年会会刊，No.202)中报道了一种对微粒进行分离和分级的方法，该方法通过利用流体和微粒之间的比重差异，此外还利用与流体的流速有关的离心力和上升力，在截面为矩形的类似圆弧的微流道中对微粒进行分离和分级。

然而，前一种方法对微粒进行分级时没有利用重力和离心力，在微粒的比重大于流体的比重的情况下，存在着微粒沉降且沉积在流道底面上的问题。另一方面，后一方法利用了离心力，并且在微粒和流体之间比重差异大的情况下有良好的分级性能。然而，微粒的沉降也变得容易。因此，难以同时实现提高分级效率与防止微粒沉积和流道堵塞的效果。

在分级以长时间连续进行的情况下，前一方法和后一方法都存在沉积量增加和流道堵塞的问题。

发明内容

考虑到上述情况，本发明已经完成，本发明提供了对微粒进行分级的方法和装置。也就是说，本发明一些方面的优点是，提供了可以长时间使用且不会引起微粒阻塞及堵塞流道的微粒分级方法和分级装置。此外，本发明一些方面的另一个优点是，提供了不会产生例如磨损性物质等污染物且分级效率优异的微粒分级方法和分级装置。

本发明可以提供一种对微粒进行分级的方法，所述方法包括：将含有微粒的微粒分散液从微流道的入口部分引入所述微流道，所述微流道具有所述入口部分和回收部分；通过在重力方向上施加的电场使微粒转移到微流道的内上面；以及将所述微粒分散液以层流状态输送到所述回收部分；其中，所述输送步骤包括根据所述微粒之间的沉降速度的差来对所述微粒进行分级。

根据本发明的另一方面，所述微粒选自由树脂微粒、无机物微粒、金属微粒以及陶瓷微粒组成的组。

根据本发明的另一方面，所述微粒的体积平均粒径为0.1微米～1000微米。

根据本发明的另一方面，所述微粒分散液中微粒的含量比率为0.1体积％～40体积％。

根据本发明的另一方面，所述的分级步骤包括施加第二电场，所述第二电场增大了随微粒大小的不同而导致的微粒之间的沉降速度差。

根据本发明的另一方面，所述微粒的ζ电势的绝对值为1毫伏～1,000毫伏。

根据本发明的另一方面，施加到电极上的所述在重力方向上施加的电场的强度为0.1伏～5伏。

根据本发明的另一方面，所述增大所述微粒之间的沉降速度差的电场的强度为0.1伏～5伏。

本发明可以提供一种对分散在微粒分散液的介质液中的微粒进行分级的装置，所述装置包括：引入部分，该部分包括引入所述微粒分散液的引入道；施加电场的电场施加部分；分级部分，该部分通过使层流状态下的微粒沉降或漂浮来对所述微粒进行分级；以及回收部分，该部分包括从中回收经分级的微粒的回收道。

根据本发明的另一方面，所述回收道包括多个回收道。

根据本发明的另一方面，所述多个回收道分别布置在重力方向上的不同高度处。

根据本发明的另一方面，所述分级部分包括第二电场施加部分。

根据本发明的另一方面，所述引入道和所述回收道相对于重力方向以0°～45°的角度来布置。

本发明可以提供一种对微粒进行分级的方法和装置，其可以长时间使用，而不会引起微粒阻塞及堵塞流道。本发明还可以提供一种对微粒进行分级的方法和装置，其不会产生如磨损物质等污染物，而且分级效率优异。

附图说明

下面将以下述附图为基础详细叙述本发明的优选实施方案，其中

图1是图解说明可以用于本发明所述方法的微粒分级装置的实例的构造的示意图；

图2是图解说明可以用于本发明所述方法的微粒分级装置的另一个实例的构造的示意图；

图3是图解说明实施例1所用微粒分级装置的构造的示意图；

图4是图解说明实施例2所用微粒分级装置的构造的示意图。

具体实施方式

本发明所述的对微粒进行分级的方法(在下文中，亦将“对微粒进行分级的方法”简称为“分级方法”)是通过使用微流道来对微粒分散液中所含的微粒进行分级的方法。本方法的特征在于本方法包括按下述顺序进行的下述步骤。即，本方法包括：从微流道的入口部分以层流状态输送微粒分散液的液体输送步骤；通过在重力方向上施加的电场使微粒移动到微流道的内上面的电场施加步骤；以及根据微粒之间的沉降速度差来对微粒进行分级的分级步骤。

优选的是，本发明所述的分级方法进一步包括回收经分级的微粒的回收步骤。

本发明利用了以下事实：在微流道中的流体是层流，并且在输送微粒分散液的情况下，具有相同密度的微粒的沉降速度与该微粒的粒径的平方成正比，因此，微粒的粒径越大，该微粒的沉降速度越高。在利用微粒之间的沉降速度差进行分级的方法中，重要的是将微粒分散液稳定地引入到层流区。

本发明提供一种分级方法和分级装置，其通过着眼于微粒的极性来控制微粒，而且其可以以良好的精确度稳定地对微粒进行分级。即，将在重力方向上排列的上电极和下电极(相当于电场施加部分)设置在流道上与重力方向交叉(即基本上水平地配置)的部分上。根据微粒的极性来施加电场。上述电场的施加使得微粒可移动到流道的内上面。在分级部分设置于电场施加部分的下游区的情况下，可以使微粒从分级部分所处的位置沉降。因此，可以以优良的精确度对微粒进行分级。

本发明所述的分级方法使用了微流道。优选的是，使用含有流道的微量反应装置，所述流道的宽度为几微米到几千微米。本发明所述的分级方法中所使用的微量反应装置是具有多个微米级流道(通道)的反应装置。微量反应装置的流道是微米级的，因此，流道中的流体的尺寸和流速较小。流道中的流体的雷诺数等于或小于2300。因此，具有微米级流道的反应装置不是流体的流动由湍流支配的普通反应装置，而是流体的流动由层流支配的反应装置。

附带说明，在本发明的说明书中，专用术语“微流道”表示微米级流道。然而，“微流道”包括毫米级流道。“微流道”有时还表示包括上述流道的装置。同样，所述装置可以统称为微量反应装置。

附带说明，雷诺数(Re)以下述等式表示：

Re＝uL/v

其中，“u”表示流速，“L”代表特征长度，“v”表示运动粘滞系数。在雷诺数等于或小于2300的情况下，流体的流动由层流支配。

如上所述，在流体的流动由层流支配而且微粒分散液中含有的微粒的比重大于用作分散介质的液体的比重的情况下，所述微粒将在该液体中沉降。在那种情况下沉降速度随微粒的比重或粒径而变化。本发明所述的对微粒进行分级的方法是通过利用微粒之间的沉降速度差来对微粒进行分级。特别是，在微粒的粒径彼此不同的情况下，沉降速度与粒径的平方成正比，因此，微粒的粒径越大，微粒的沉降速度越快。由此，本发明所述的分级方法适用于对粒径彼此不同的微粒进行分级。

另一方面，在流道直径大而且微粒分散液的流动是湍流的情况下，微粒的沉降位置会变化。因而，基本上，分级精确度会降低。

图1显示了可以用于本发明所述方法的微粒分级装置的实例的构造。

本发明所述的微粒分级装置(在下文中，“微粒分级装置”亦简称为“分级装置”)包括从中引入微粒分散液的微粒分散液引入口1、用于施加电场的电场施加部分20、分级部分30以及由其回收经分级的微粒的回收口51、52和53。电场施加部分20具有在微流道中在重力方向上配置的上下电场施加用电极21。此外，回收口51～53在重力方向上低于分级部分30。

另外，本发明所述的微粒分级装置可以装有从中引入不包含微粒的流体的流体引入口。

在图1中所示的微粒分级装置是具有流道的微量反应装置10，所述流道的宽度为几微米到几千微米。微量反应装置10装有从中可将微粒分散液A引入微流道的微粒分散液引入口1。虽然微量反应装置10可以只装有一个微粒分散液引入口，但是微量反应装置10也可以装有多个微粒分散液引入口。

将从微粒分散液引入口1注入的微粒分散液A引入微流道。引入微流道的微粒分散液A以层流状态通过电场施加部分20和分级部分30向下游流动。

附带说明，在本说明书中，从微粒分散液引入口延伸到电场施加部分的微流道被称为引入流道。

本发明所述的微粒分级装置装有用于向已引入的微粒分散液所含的微粒施加电场的电场施加部分20。电场施加部分20具有在微流道中在重力方向上配置的上下电场施加用电极21。上下电场施加用电极21通过通电用电线22与电源23连通。附带说明，在本说明书中，电场施加部分的微流道被称为电场施加流道。

优选的是，对电场施加流道的长度值进行适当的选择，使其达到使微粒足以移动到流道的内上面的程度。

在分级装置不具有电场施加部分的情况下，微粒不能稳定地被引入到分级部分。因此，不能获得高的分级精确度。电场施加部分将电场施加到微粒上，由此使得微粒可以一次性移动到流道的内上面。因此，可将微粒稳定地从流道的内上面引入到设置在电场施加部分的下游处的分级部分。于是，提高了分级精确度。

虽然所述电场施加用电极在微流道中位于重力方向上的上部和下部，但是，在能够通过电场的施加使微粒移动到流道的内上面的范围内，还可以对重力方向上的上部和下部的位置进行适当的选择。

同样，虽然可以适当地选择电场施加部分的电极的形状，但是优选的是，在流道的截面大体上为矩形的情况下，将板状电极设置于在流道的重力方向上布置的流道内壁的内上面和内下面。另外，在流道的截面大体上为圆形的情况下，优选的是，将呈球形而与流道形状匹配的电极设置于在重力方向上布置的微流道内壁的上部和下部。此外，优选的是，将两个电极隔着微流道相对设置。此外，还可以将电极设置在流道内壁上而与流体介质接触。作为选择，也可以通过用适当的材料覆盖电极而使其不直接与流体介质接触，从而将该电极设置在流道内壁上。

优选的是，根据微粒的特征，适当地选择施加于电场施加部分的电场强度。对电场的方向和强度进行选择，以便使微粒移动到流道的内上面。

在实际中，在将电场施加到带负电荷的微粒的情况下，所施加的电场是上部电极为正极的电场。相反，在将电场施加到带正电荷的微粒的情况下，所施加的电场是上部电极是负极的电场。

根据本发明，施加到电极的电压强度可随着微粒分散液种类的变化而变化，且优选为0.5伏～10伏，更优选为1伏～5伏。电压强度在上述范围内时，例如水等介质液体不会被电解，因而不产生气泡，而且可充分实现微粒向流道的内上面的移动，因而是优选的。

优选的是，除所述引入流道、电场施加部分和分级部分之外，流道的所有部分相对于重力方向的倾斜角度为0°～45°，更优选的是，流道的所有部分相对于重力方向的倾斜角度为0°～30°，进一步优选的是，流道的所有部分相对于重力方向的倾斜角度为0°～15°，特别优选的是，流道的所有部分相对于重力方向的倾斜角度为0°～10°。

优选所述流道相对于重力方向的倾斜角度为0°～45°，这是因为这样微粒不会因为沉降而在流道内壁表面附着和沉积，而且不会发生流道的堵塞。

将电场施加部分20中移动到流道的内上面的微粒与液体一起以层流状态输送到分级部分30。引入到分级部分的微粒分散液A在分级部分30中以层流状态向下游进行流动。使微粒在分级部分30中以层流状态沉降，由此对微粒进行分级。在微粒分散液通过分级部分向下游流动的过程中，因为微粒分散液含有的微粒的比重大于微粒分散液的介质液体的比重，所以所述微粒缓慢沉降。

此时，微粒的沉降速度随它的密度或粒径而变化。因而，在微粒到达分级部分的下游侧末端时，微粒分布在重力方向上的不同高度。因此，微粒流入分别配置在重力方向上的不同高度处的回收道41～43。这样，从回收口51～53可以分别获得经分级的微粒。

在图1所示的分级装置中，从回收口51回收较大的微粒。从回收口53回收较小的微粒。

附带说明，在本说明书中，分级部分的微流道亦称为分级流道。

优选的是，在本发明所述的分级装置中，引入流道、电场施加部分和分级部分大体上水平安装。优选的是，在水平方向与这些单元之间各自形成的角度为0°～45°。更优选的是，在水平方向与这些单元之间各自形成的角度为0°～30°。进一步优选的是，在水平方向与这些单元之间各自形成的角度为0°～15°。

优选的是，本发明所述的分级装置具有多个回收道。更优选的是，所述回收道在重力方向上的不同位置或者在微粒分散液(或者微粒分散液与流体的液态混合物)的流动方向上的不同位置，与分级部分连通。进一步优选的是，所述回收道在重力方向和在微粒分散液(或者微粒分散液与流体的液态混合物)的流动方向这两个方向上的不同位置与分级部分连通。

在流道具有流道直径或者形状发生变化的壁表面部分的情况下，优选的是，所述壁表面部分相对于重力方向的倾斜角度为0°～45°。更优选的是，所述壁表面部分相对于重力方向的倾斜角度为0°～30°。进一步优选的是，所述壁表面部分相对于重力方向的倾斜角度为0°～15°。特别优选的是，所述壁表面部分相对于重力方向的倾斜角度为0°～10°。

优选所述壁表面部分相对于重力方向的倾斜角度处于上述范围内。这是因为这样微粒即使在流速低时都不会沉降，微粒不会因为沉降而在流道的内壁表面附着和沉积，而且不会发生流道的堵塞。

附带说明，在流道的形状随着流道的各部分而不同的情况下，相对于重力方向的角度是指各流道的中心线与重力方向之间形成的角度。

另外，图1所示的微粒分级装置中，微粒分散液引入流道、电场施加部分的流道和分级部分的流道以及回收道的截面形状均为矩形。然而，它们的截面形状并不受此限制，可以是其它任何形状，例如：椭圆形、圆形以及带圆角的准矩形。

同样，如图2所示的除微粒分散液引入口之外还具有流体引入口4的微量反应装置也可以应用在本发明所述的方法中。

从微粒分散液引入口1引入的微粒分散液A流过微粒分散液引入道2，并且从连通部分3被导入微流道。另一方面，将流体E从流体引入口4引入。使所引入的流体E流过液体引入道5，并且将其导入微流道。被导入微流道的微粒分散液A和流体E以层流状态通过电场施加部分20和分级部分30向下游流动。

在图2所示的微粒分级装置中，微粒分散液引入口1设置在重力方向上比电场施加部分和分级部分靠上的位置。然而，可以将微粒分散液从这一方向的任何位置引入。本发明中，可通过上述电场施加部分的作用使微粒移动到流道的内上面，并且稳定地输送到分级部分。这样，只要可以引入微粒分散液，可以用任何其他方式引入微粒。

在图1和图2所示的分级装置中，优选的是，通过使用微量注射器、旋转泵、螺杆泵、离心泵以及压电泵(piezo pump)对液体和流体进行压入配合(press-fitting)，从而将微粒分散液A引入微粒分散液引入口1，将流体E引入流体引入口4。

在图1所示的微粒分级装置中，优选的是，微粒分散液A的流速为0.002毫升/小时～1,000毫升/小时。更优选的是，微粒分散液A的流速为0.1毫升/小时～500毫升/小时。

在图2所示的微粒分级装置中，优选的是，微粒分散液A在微粒分散液引入道2中的流速为0.001毫升/小时～100毫升/小时。更优选的是，微粒分散液A在微粒分散液引入道2中的流速为0.01毫升/小时～500毫升/小时。

同样，优选的是，流体E在流体引入道5中的流速为0.002毫升/小时～1,000毫升/小时。更优选的是，流体E在流体引入道5中的流速为0.01毫升/小时～500毫升/小时。

作为本发明所述的分级装置中所用的微量反应装置的材料，可采用通常使用的相对绝缘的材料例如陶瓷、塑料和玻璃。优选的是，根据所输送的介质液体的情况适当地选择微量反应装置的材料。

本发明所述的具有电场施加部分的分级装置，可以在通过通常已知的方法制成没有电极的微量反应装置之后通过气相沉积或电镀向该处加装电极来获得。然而，还可以通过在流道的壁表面内埋入电极来制作所述电极。

在本发明所述的方法中使用的微粒分散液A如下所述。

优选的是，微粒分散液A是以下所述的微粒分散液：将体积平均粒径为0.1微米～1,000微米的微粒分散在介质液体中，并且所述微粒和介质液体之间的比重差为0.01～20。

作为本发明所述的方法所用的微粒分散液中含有的微粒，只要是通过向其施加电场即可使其移动的微粒，就可以有利地使用。附带说明，通过向其施加电场即可使其移动的微粒是具有动电势(ζ电势)的那些微粒。

通过向其施加电场即可使其移动的微粒的动电势可以用能够测定动电势的普通设备来测定。在本发明所述的方法的情况下，通过使用Spectrometer DT1200(由分散技术公司(Dispersion Technology Inc.)制造)测定动电势。优选的是，分散液所含的微粒的动电势的绝对值为1毫伏～1,000毫伏。从生产性出发，更优选的是，分散液所含的微粒的动电势的绝对值为30毫伏～300毫伏。

优选的是，微粒的体积平均粒径为0.1微米～1,000微米。更优选的是，微粒的体积平均粒径为0.1微米～500微米。进一步优选的是，微粒的体积平均粒径为0.1微米～200微米。微粒的体积平均粒径在上述范围内时，可通过电场使微粒稳定移动，并且不会发生流道的堵塞，所以是优选的。

对在本发明所述的方法中使用的微粒的形状没有特别限制。然而，在微粒形状为针状的情况下，特别是，其长轴长度大于流道宽度的1/4的情况下，流道发生堵塞的可能性变高。根据这一观点，优选的是微粒的长轴长度与其短轴长度之比值(即：长轴长度/短轴长度)为1～50。更优选的是，所述比值为1～20。附带说明，优选的是，流道宽度可根据微粒的粒径和微粒形状进行适当的选择。

在本发明所述的方法中使用的微粒在介质液体中具有正极性或负极性。例如，在水介质中，在各微粒的表面上存在分子末端如-COOH、-CN或-SO₂的情况下，该微粒具有负极性。另一方面，在各微粒表面上存在分子末端如-NH₃或-NH₄ ⁺的情况下，该微粒具有正极性。

在介质液体中具有负极性的微粒的实例作为例如阴离子性聚合物时，可以是下述阴离子性聚合性单体的聚合物，所述单体是含有羟基、羧基、磺酸基、磷酸基以及酸酐的下述单体，即：2-丙烯酰氨-2-甲基丙烷磺酸、N-羟甲基丙烯酰胺、甲基丙烯酸、丙烯酸、甲基丙烯酸-2-羟乙基酯、甲基丙烯酸-2-羟丙基酯、甲基丙烯酸缩水甘油基酯、聚丙二醇单甲基丙烯酸酯、聚乙二醇单甲基丙烯酸酯、甲基丙烯酸四氢化糠基酯、甲基丙烯酸磷酸氧基乙酯(acidphophooxy ethyl methacrylate)以及马来酸酐。此外，所述微粒的其它实例是这些单体和一种或多种下述单体的共聚物。即，下述单体中的一种，如苯乙烯类，例如苯乙烯、邻甲基苯乙烯、对甲基苯乙烯、2，4-二甲基苯乙烯、对正丁基苯乙烯、对叔丁基苯乙烯、对正十二烷基苯乙烯、对氯苯乙烯以及对苯基苯乙烯；乙烯基萘类；乙烯基不饱和单烯烃，例如乙烯、丙烯和异丁烯；乙烯基酯类，例如氯乙烯、乙酸乙烯酯、丁酸乙烯酯以及苯甲酸乙烯酯；α-亚甲基脂肪族一元羧酸酯类，例如丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸正丁酯、丙烯酸异丁酯、丙烯酸丙酯、丙烯酸正辛酯、丙烯酸十二烷酯、丙烯酸月桂基酯、丙烯酸2-乙基己酯、丙烯酸硬脂基酯、丙烯酸2-氯乙基酯、丙烯酸苯酯、α-氯代丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸丙酯、甲基丙烯酸正丁酯、甲基丙烯酸异丁酯、甲基丙烯酸正辛酯、甲基丙烯酸十二烷酯、甲基丙烯酸月桂基酯、甲基丙烯酸2-乙基己酯、甲基丙烯酸硬脂基酯、甲基丙烯酸苯酯、甲基丙烯酸二甲氨基乙酯以及甲基丙烯酸二乙氨基乙酯；丙烯酸和甲基丙烯酸的衍生物，例如丙烯腈、甲基丙烯腈和丙烯酰胺；乙烯基醚类，例如乙烯基甲基醚、乙烯基乙基醚和乙烯基异丁基醚；乙烯基酮类，例如乙烯基甲基酮、乙烯基己基酮和甲基异丙烯基酮；以及N-乙烯基化合物，例如N-乙烯基吡咯、N-乙烯基咔唑、N-乙烯基吲哚和N-乙烯基吡咯烷酮。作为选择，可以将所述单体中两种或多于两种的单体用作构成所述共聚物的单体。作为选择，在所述聚合性单体中可以含有这些单体中的一种或多种单体。在所述聚合物和共聚物之中，聚丙烯酸和聚丙烯腈的共聚物或混合物为优选。

另一方面，在介质液体中具有负极性的微粒的实例作为阳离子性聚合物时，可以是下述阳离子性聚合性单体的聚合物，所述单体是例如含氮的单体，如甲基丙烯酸二甲氨基乙酯、丙烯酸二甲氨基乙酯、甲基丙烯酸二乙氨基乙酯、丙烯酸二乙氨基乙酯、N-正丁氧基丙烯酰胺、三甲基氯化铵、二丙酮丙烯酰胺、丙烯酰胺、N-乙烯基咔唑、乙烯基吡啶、2-乙烯基咪唑、(2-羟基-3-甲基丙烯酰氧基丙基)三甲基氯化铵、(2-羟基-3-丙烯酰氧基丙基)三甲基氯化铵或者通过季铵化所述单体中的氮原子而获得的单体的聚合物。在介质液体中具有负极性的微粒的其他实例作为阳离子性聚合物时，可以是所述含氮单体和一种或多种下述单体的共聚物，所述单体是例如苯乙烯类，如苯乙烯、邻甲基苯乙烯、间甲基苯乙烯、对甲基苯乙烯、对甲氧基苯乙烯、对苯基苯乙烯、对氯苯乙烯、3，4-二氯苯乙烯、对乙基苯乙烯、2，4-二甲基苯乙烯、对正丁基苯乙烯、对叔丁基苯乙烯、对正己基苯乙烯、对正辛基苯乙烯、对正壬基苯乙烯、对正癸基苯乙烯、对正十二烷基苯乙烯；或者，例如，乙烯基不饱和单烯烃，如乙烯、丙烯、丁烯和异丁烯；乙烯基卤化物，例如氯乙烯、1，1-二氯乙烯、溴乙烯和氟乙烯；乙烯基酯类，例如乙酸乙烯酯、丙酸乙烯酯、苯甲酸乙烯酯和丁酸乙烯酯；α-亚甲基脂肪族一元羧酸酯类，例如甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸丙酯、甲基丙烯酸正丁酯、甲基丙烯酸异丁酯、甲基丙烯酸正辛酯、甲基丙烯酸十二烷酯、甲基丙烯酸2-乙基己酯、甲基丙烯酸硬脂基酯、甲基丙烯酸苯酯、甲基丙烯酸二甲氨基乙酯、甲基丙烯酸二乙氨基乙酯、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸正丁酯、丙烯酸异丁酯、丙烯酸丙酯、丙烯酸正辛酯、丙烯酸十二烷酯、丙烯酸2-乙基己酯、丙烯酸硬脂基酯、丙烯酸2-氯乙基酯、丙烯酸苯酯以及α-氯代丙烯酸甲酯；乙烯基醚类，例如乙烯基甲基醚、乙烯基乙基醚和乙烯基异丁基醚；乙烯基酮类，例如乙烯基甲基酮、乙烯基己基酮和甲基异丙烯基酮；N-乙烯基化合物，例如N-乙烯基吡咯、N-乙烯基咔唑、N-乙烯基吲哚和N-乙烯基吡咯烷酮；乙烯基萘类；以及丙烯酸或者甲基丙烯酸的衍生物，例如丙烯腈、甲基丙烯腈和丙烯酰胺。在所述聚合物之中，优选的是聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯的共聚物或含有聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯的混合物。

在本发明所述的方法中使用的微粒之中，由例如二氧化硅和二氧化钛等金属氧化物制成的无机物微粒具有负极性。由例如氧化铝制成的无机物微粒具有正极性。众所周知，用硅烷偶联剂处理过的微粒根据偶联剂所具有的端基的种类和比例的不同而具有正极性或者负极性。例如，在用含有氨基的硅烷偶联剂处理二氧化硅的情况下，该二氧化硅制成的微粒具有正极性。

在本发明所述的方法中使用的微粒的极性，不仅仅取决于它表面的化学特性，还取决于介质中所含有的溶解离子的种类或表面活性剂的种类，并且可以基本上得到控制。

可以采用生产所述微粒的多种方法。大多数情况下，通过在介质液体中合成来生产微粒，然后在不作改性的条件下直接对该微粒进行分级。微粒可以通过用机械方法破碎块状物来制得，之后将微粒分散在介质液体中。在这种情况下，经常在介质液体中来破碎块状物。同样，在这种情况下，直接对所制得的微粒进行分级而不作改性。

另一方面，在对用干法生产的粉末或微粒进行分级的情况下，必须预先在介质液体中分散该微粒。在介质液体中分散干燥粉末的方法的实例是分别使用下述装置的方法：砂磨机、胶体磨、磨碎机(Atitor，由MitsuiMiike Kabushiki kaisha制造)、球磨机、珠磨机(DYHO mill，由ShinmaruEnterprises Corporation制造)、高压匀化器、超声波分散器、共球磨机(Co-ball mill，由ITOCHU FOODEC公司制造)以及辊磨机。在这种情况下，优选的是，在初级颗粒没有被分散过程所粉碎的条件下实施本方法。

根据本发明，优选的是，从微粒的比重中减去介质液体的比重所得的差为0.01～20。更优选的是，从微粒的比重中减去介质液体的比重所得的差为0.05～11。进一步优选的是，从微粒的比重中减去介质液体的比重所得的差为0.05～4。在微粒的比重减去介质液体的比重所得的差小于0.01的情况下，有时微粒不会沉降。另一方面，在微粒的比重减去介质液体的比重所得的差大于20的情况下，微粒会急剧沉降，以致有时难以输送微粒。

只要从微粒的比重中减去介质液体的比重所得的差为0.01～20，该介质液体就可以优选用作本发明所述的方法中使用的介质液体。所述介质液体的实例是水、水性介质以及有机溶剂型介质。

同时，尽管基本上可以使用任何介质液体，但优选的是，该介质液体的电导率为0～50μs/cm。更优选的是，介质液体的电导率为0～20μs/cm。更进一步优选的是，介质液体的电导率为0～10μs/cm。在介质液体的电导率超过50μs/cm的情况下，微粒在电场中的移动有时不稳定。

在本发明所述的方法中优选使用的介质液体是水或者乙醇。特别是优选为水性介质。

作为上述的水，可以举出例如离子交换水、蒸馏水、电解离子水等。同样，作为上述有机溶剂类介质，具体地说，可以举出例如甲醇、乙醇、正丙醇、正丁醇、苯甲醇、甲基溶纤剂、乙基溶纤剂、丙酮、甲基乙基酮、环己酮、乙酸甲酯、乙酸正丁酯、二噁烷、四氢呋喃、二氯甲烷、氯仿、氯苯、甲苯、二甲苯以及所述化合物中两种或多于两种组成的混合物。

作为微粒和介质液体的优选组合，可以举出以下组合：在其表面上具有羧基的聚苯乙烯-丙烯酸酯共聚物微粒或者聚酯树脂微粒和水性介质的组合，以及含有氨基或季铵化铵基的聚苯乙烯-丙烯酸酯共聚物微粒或者聚酯树脂微粒和水性介质的组合。在所述组合之中，更优选的是前一组合。

优选的是，在微粒分散液中微粒的百分含量为0.1体积％～60体积％。更优选的是，在微粒分散液中微粒的百分含量为5体积％～25体积％。在微粒分散液中微粒的百分含量小于0.1体积％的情况下，微粒的回收有时会存在问题。在该百分含量大于40体积％的情况下，发生流道堵塞的可能性增加。

附带说明，除了所述微粒的体积平均粒径等于或者小于5微米的情况之外，微粒的体积平均粒径是通过使用TA-II型库尔特粒度仪(由Beckman Coulter，Inc.制造)测定的数值。通过使用根据微粒的粒径级别而优化的孔径测定体积平均粒径。但是，在微粒的体积平均粒径等于或者小于5微米的情况下，体积平均粒径通过使用激光散射粒径分布测定装置(由堀场制作所制造的LA-920)来测定。同样，在粒径的数量级为纳米级的情况下，体积平均粒径通过使用BET型比表面积测定装置(由岛津制作所制造的Flow SurbII2300)来测定。

微粒的比重使用由Yuasa Ionics Co.，Ltd.制造的Ultra-Pycnometer1000通过气相置换法(比重计法)来测定。

同样，任何液体介质的比重用由A&D Instrument有限公司制造的密度测定盒AD-1653来测定。

在本发明所述的分级装置中，流体E是不含需分级的微粒的液体。根据本发明，优选的是，介质液体和所述流体是相同的液体。

同样，在流体E与介质液体不同的情况下，优选的是，流体E是与介质液体的具体例的种类一样的同一类液体。

同样，所述流体的比重相对于微粒的比重的优选比率与介质液体的比重相对于微粒的比重的比率相似。

本发明所述的微粒分级方法的优选实施方案包括施加电场的第二电场施加步骤，所述电场增加了由微粒大小的不同所致的微粒之间的沉降速度差。在将电场施加于在与重力方向相反的方向上移动的微粒的情况下，第二电场施加步骤是优选的。

移动到流道的内上部的微粒在分级部分由于重力的作用而沉降。在这种情况下，重力与微粒的粒径的立方成正比。另一方面，通过电场的施加提供给微粒的表面电荷的能量强度与微粒的粒径的平方成正比。因此，当向微粒施加适当的电场时，较重的微粒在重力方向上沉降，因为作用在其上的重力的量值大于由电场施加的电力的量值。相反，较轻的微粒在重力方向上上浮，因为由电场施加的电力的量值大于作用在其上的重力的量值。

于是，通过进行第一电场施加步骤将微粒从流道内上面稳定地引入到分级部分。随后，通过进行第二电场施加步骤使较重的微粒沉降，并使较轻的微粒上浮。所以，可以以较高的精确度对微粒进行分级。因此，第二电场施加步骤是优选的。

可将第二电场施加部分设置在分级部分中。与第一电场施加部分相似，将上部和下部电极分别布置在微流道中在重力方向上的上部和下部位置上。在能够通过电场的施加使微粒移动到流道的内上面和内下面的范围内，可以对重力方向上的所述上部和下部的位置进行适当的选择。即，特别优选的是将适合的电场施加到微粒，以便使一部分微粒移动到流道的内上面，而且使其他微粒移动到流道的内下面。

第二电场施加部分具有布置在微流道中在重力方向上的上下电场施加用电极。上下电场施加电极通过通电用电线与电源连通。

第二电场施加部分的电极的形状可以适当地选择。然而，在流道的截面形状大体上为矩形的情况下，优选的是，设置板状电极以使其在重力方向上排列。另外，在流道的截面形状大体上为圆形的情况下，优选的是，将呈球形而与流道形状匹配的电极放置于在重力方向上排列的上部和下部位置。此外，优选的是，将两个电极隔着微流道相对设置。

优选的是，根据微粒的特征，适当地选择施加于第二电场施加部分的电场强度。对电场的方向和强度进行选择，以便使粒径相对较大的微粒在重力的作用下沉降，同时使粒径相对较小的微粒在电场的作用下移动到流道的内上面。

在实际中，在将电场施加到带负电荷的微粒的情况下，所施加的电场是上部电极为正极的电场。相反，在将电场施加到带正电荷的微粒的情况下，所施加的电场是上部电极是负极的电场。

根据本发明，施加到电极的电压强度可随着微粒分散液种类的变化而变化，且优选为0.1伏～5伏，更优选为0.5伏～3伏。电压强度在上述范围内时，例如水等介质液体不会被电解，因而不产生气泡，而且可充分实现微粒向流道的内上面的移动，因而是优选的。

在分级部分中，可以在整个分级流道的范围内设置第二电场施加部分。然而，优选的是，在一部分分级流道上设置第二电场施加部分。优选的是，第二电场施加部分的长度为整个分级流道长度的10％～90％。更优选的是，第二电场施加部分的长度为整个分级流道长度的10％～50％。

优选的是，第二电场施加部分对正在进行分级的微粒施加电场。同样，优选的是，在分级部分的后半部分设置第二电场施加部分。

实施例

实施例1

图3是图解实施例1中所用的分级装置的示意图。所述分级装置是具有电场施加部分20和分级部分30的微量反应装置10。将引入道L1、电场施加道L2和分级流道L3布置成垂直于重力方向而延伸的形式，即，将它们水平布置。布置回收道L4至L6，使其相对于水平方向或者重力方向的倾斜角度如后文所述。

通过使用上述分级装置对苯乙烯-丙烯酸正丁酯树脂的微粒分散液(组合比例为75∶25，并且重均分子量为35,000)进行分级。该树脂的比重为1.08。该微粒的粒径为3微米～18微米。该微粒的体积平均粒径为12微米。该树脂微粒分散液是含有12体积％微粒的水分散液。

本实施例中使用的分级装置用通常公知的微量反应装置制造方法制造。即：用端铣刀在一块丙烯酸酯板材上凿出符合要求的沟槽。然后，将该丙烯酸酯板材和另一丙烯酸酯板材放在一起以形成流道，通过利用加热和加压使它们互相热熔。此时，必须考虑因热熔所致的流道尺寸的缩小来决定沟槽的深度。接着，分别在相当于入口和出口的位置开孔并安装接合头从而连接从注射泵等引出的管或者连接排出管等。然后，在该孔上安装龙头(tapped)并完成。下文将描述流道的尺寸。

接着，为了形成流道，在用加热加压接合丙烯酸酯板材之前，通过在电场施加流道L2内壁的重力方向上的内上面和内下面进行镀金而形成施加电场用电极。同样，电场施加用电线也通过电镀制得。

附带说明，在下文对尺寸的叙述中，术语“宽”对应于在分级流道中在与微粒分散液A的流动方向垂直的方向上延伸的水平边。术语“高”对应与用术语“宽”表示的边垂直的边。此外，术语“长度”表示在分级流道两端的矩形的中心点之间的距离(同样适用于以下实施例)。

引入流道L1的截面形状是高500微米×宽200微米的矩形，且长度为20毫米。

电场施加流道L2的截面形状是高500微米×宽200微米的矩形，且长度为10毫米。

分级流道L3的截面形状是高500微米×宽200微米的矩形，且长度为150毫米。

回收道L4有一个与分级流道L3接合的接合面，该接合面的形状是高150微米×宽200微米的矩形，该回收道L4的长度为大约70毫米，且相对于水平方向的倾斜角度为45°。

回收道L5有一个与分级流道L3接合的接合面，该接合面的形状是高150微米×宽200微米的矩形，该回收道L5的长度为大约60毫米，且相对于水平方向的倾斜角度为55°。

回收道L6有一个与分级流道L3接合的接合面，该接合面的形状是高200微米×宽200微米的矩形，该回收道L6的长度为大约50毫米，且相对于水平方向的倾斜角度为75°。

用微量注射器以2.0毫升/小时的速率将微粒分散液输送到分级装置。附带说明，在本实施例中，分级装置没有流体引入口。用微量注射器将微粒分散液水平地输送到分级装置。

将L1至L3各流道中的微粒分散液的流速调节为4.3毫米/秒。

在电场施加部分中，施加3伏的电压，使上部电极的极性为正极，并继续输送液体。

结果，经确认，从回收口B回收的微粒的粒径为3微米～10微米，从回收口C回收的微粒的粒径为10微米～14微米，从回收口D回收的微粒的粒径为14微米～18微米，因而，微粒的分级具有良好的精确度。

将液体的输送连续进行大约5小时。但没有出现微粒沉积和流道堵塞的迹象。

此外，该分级装置没有旋转机构。这样，例如磨损性的金属片等异物不会进入分级装置。可以容易地进行分级装置的清洁。回收微粒时的效率非常高，几乎为100％。

比较例1

除了没有施加电场之外，在与实施例1的情况相似的条件下，对微粒分散液中所含微粒进行分级。结果发现，从回收口D获得的微粒中包括粒径为3微米～18微米的微粒，因而，不能实现微粒的高精确度分级。

实施例2

图4是图解实施例1中所用分级装置的示意图。所述分级装置是具有电场施加部分20和分级部分30的微量反应装置10。此外，分级部分30具有第二电场施加部分35。

将引入道L1、电场施加道L2和分级流道L3-1至L3-3布置成垂直于重力方向而延伸的形式，即，将其水平布置。布置回收道L4至L6，使其相对于水平方向或者重力方向的倾斜角度如后文所述。

通过使用上述分级装置对苯乙烯-丙烯酸正丁酯树脂的微粒分散液(组合比例为75∶25，并且重均分子量为35,000)进行分级。该树脂的比重为1.08。该微粒的粒径为3微米～18微米。该微粒的体积平均粒径为12微米。该树脂微粒分散液是含有12体积％微粒的水分散液。

本实施例中使用的分级装置用通常公知的制造微量反应装置的方法制造。即：用端铣刀在一块丙烯酸酯板材上凿出符合要求的沟槽。然后，将该丙烯酸酯板和另一丙烯酸酯板放在一起以形成流道，通过利用加热和加压使它们互相热熔。此时，必须考虑因热熔所致的流道尺寸的缩小来决定沟槽的深度。接着，分别在相当于入口和出口的位置开孔并安装接合头从而连接从注射泵等引出的管或者连接排出管等。然后，在孔上安装龙头并完成。下文将描述流道的尺寸。

接着，为了形成流道，在用加热加压接合丙烯酸酯板材之前，通过在电场施加流道L2和分级流道L3-2各自的内壁的重力方向上的内上面和内下面进行镀金而形成施加电场用电极。同样，用于施加电场的导线也用电镀制得。

附带说明，在下面对容积的叙述中，术语“宽”对应于在各个分级流道L3-1至L3-3中在与微粒分散液A的流动方向垂直的方向上延伸的水平边。术语“高”对应与用术语“宽”表示的边垂直的边。此外，术语“长”表示在分级流道两端的矩形的中心点之间的距离(同样适用于以下实施例)。

引入流道L1的截面形状是高500微米×宽200微米的矩形，且长度为20毫米。

电场施加流道L2的截面形状是高500微米×宽200微米的矩形，且长度为10毫米。

分级流道L3-1的截面形状是高500微米×宽200微米的矩形，且长度为150毫米。

分级流道L3-2的截面形状是高500微米×宽200微米的矩形，且长度为50毫米。

分级流道L3-3的截面形状是高500微米×宽200微米的矩形，且长度为25毫米。

回收道L4有一个与分级流道L3接合的接合面，该接合面的形状是高150微米×宽200微米的矩形，该回收道L4的长度为大约70毫米，且相对于水平方向的倾斜角度为45°。

回收道L5有一个与分级流道L3接合的接合面，该接合面的形状是高150微米×宽200微米的矩形，回收道L5的长度为大约60毫米，且相对于水平方向的倾斜角度为55°。

回收道L6有一个与分级流道L3接合的接合面，该接合面的形状是高200微米×宽200微米的矩形，该回收道L6的长度为大约50毫米，且相对于水平方向的倾斜角度为75°。

用微量注射器以2.0毫升/小时的速率将微粒分散液输送到分级装置。附带说明，在本实施例中，分级装置没有流体引入口。用微量注射器将微粒分散液水平地输送到分级装置。

将L1至L3-3各流道的微粒分散液的流速调节为4.3毫米/秒。

在电场施加部分中，施加3伏的电压，使上部电极的极性为正极，并继续输送液体。

同样，在第二电场施加部分中，施加1伏的电压，使上部电极的极性为正极，并继续输送液体。

结果，经确认，从回收口B回收的微粒的粒径为3微米～10微米，从回收口C回收的微粒的粒径为10微米～14微米，从回收口D回收的微粒的粒径为14微米～18微米，因而，微粒的分级具有良好的精确度。特别是，在仔细检查微粒的粒度分布时，发现所回收的各粒径级别的微粒几乎没有与略高的粒径级别的微粒和略低的粒径级别的微粒混合，而且所回收的微粒的粒径级别彼此之间明显不同。

液体的输送持续进行大约5小时。但没有出现微粒沉积和流道堵塞的迹象。

并且，该分级装置没有旋转机构。例如磨损性的金属片等异物不会进入分级装置。可以容易地进行分级装置的清洁。回收微粒时的效率非常高，几乎为100％。

将2005年11月25日提交的日本专利申请2005-339574号包括说明书、权利要求书、附图和摘要在内的全部公开内容在此整体性地引入作为参考。

Claims (13)

1.一种对微粒进行分级的方法，该方法包括：

将含有所述微粒的微粒分散液从微流道的入口部分引入所述微流道，所述微流道具有所述入口部分和回收部分；

通过在重力方向上施加的电场使微粒移动到所述微流道的内上面；以及

将所述微粒分散液以层流状态输送到所述回收部分；

其中，所述输送步骤包括根据所述微粒之间的沉降速度差来对所述微粒进行分级。

2.如权利要求1所述的对微粒进行分级的方法，其中，所述微粒选自由树脂微粒、无机物微粒、金属微粒以及陶瓷微粒组成的组。

3.如权利要求1所述的对微粒进行分级的方法，其中，所述微粒的体积平均粒径为0.1微米～1000微米。

4.如权利要求1所述的对微粒进行分级的方法，其中，在所述微粒分散液中所述微粒的含量比率为0.1体积％～40体积％。

5.如权利要求1所述的对微粒进行分级的方法，其中，所述的分级步骤包括施加第二电场，所述第二电场增大了随微粒大小的不同而导致的微粒之间的沉降速度差。

6.如权利要求1所述的对微粒进行分级的方法，其中，所述微粒的ζ电势的绝对值为1毫伏～1,000毫伏。

7.如权利要求1所述的对微粒进行分级的方法，其中，施加到电极上的所述在重力方向上施加的电场的强度为0.1伏～5伏。

8.如权利要求5所述的对微粒进行分级的方法，其中，所述增大所述微粒之间的沉降速度差的电场的强度为0.1伏～5伏。

9.一种对分散在微粒分散液中的介质液中的微粒进行分级的装置，所述装置包括：

引入部分，该部分包括引入所述微粒分散液的引入道；

电场施加部分，该部分施加电场；

分级部分，该部分通过使层流状态下的微粒沉降或漂浮来对所述微粒进行分级；以及

回收部分，该部分包括从中回收经分级的微粒的回收道。

10.如权利要求9所述的装置，其中，所述回收道包括多个回收道。

11.如权利要求10所述的装置，其中，所述多个回收道分别布置在重力方向上的不同高度处。

12.如权利要求9所述的装置，其中，所述分级部分包括第二电场施加部分。

13.如权利要求9所述的装置，其中，所述引入道和所述回收道相对于重力方向以0°～45°的角度来布置。

Images