一种粉体超声流化作用下的液体弹珠表面改性装置及方法

1.本发明涉及一种粉体超声流化作用下的液体弹珠表面改性装置及方法，属于液体弹珠包覆及表面改性技术领域。


背景技术：

2.水滴或以水为主体的液滴与微米或纳米级的疏水颗粒接触后，颗粒会转移至液滴表面，形成液体弹珠。液体弹珠不会润湿亲水基底，甚至可以漂浮在水面上。由于液体弹珠在微量流体传输及微型反应器方面表现出了很大的应用潜力，因此具有相当大的科研价值。
3.液体弹珠普遍采用的研究方法是：将疏水粉末均匀撒在基底上，然后利用注射器将液滴滴在粉末上，晃动基底，使粉末中的微/纳米颗粒与液滴接触并转移至液滴表面，当液滴被完全包裹后就成为液体弹殊。法国学者pascale aussillous和david qu
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提出了一种液体弹珠制备方法(nature，2001,411:924
‑
927)，他们首先在基底表面均匀地铺展一层超疏水微颗粒，然后用微量移液枪在超疏水层上滴加少量液体，再将基底略微倾斜，使液滴在重力作用下自然地在超疏水层上滚动从而包裹一层超疏水微颗粒，进而形成完好的液体弹珠。这些液体弹珠不仅可以在玻璃表面滚动，而且还可以在水面漂浮。但这种由超疏水颗粒包覆液滴形成的液体弹珠也存在一定的不足，其稳定性不好，随着内部液体的蒸发，液体弹珠的体积会缩小，疏水层的厚度相对增加，疏水层对内部液体的压力也随之增加，最终导致液体弹珠的破裂。因此这种液体弹珠的稳定性较差，不易长时间保存。
4.目前，传统的液体弹珠制备方法大多是将少量液滴滚入疏水性很强的固体颗粒中，疏水性颗粒会自然地包裹液滴形成液体弹珠。通过在液滴表面附着一层具有特殊性能的粉体，能够使得液滴获得相应的性质，如热敏性、磁特性等。专利cn105361242a公开了一种基于液体弹珠的多功能型香烟爆珠及其制备方法，该方法是一种基于液体弹珠的“固体”香水及其制备方法，以疏水性粉末为稳定剂，在稳定剂上方滴加微液滴，通过滚滴法制备液体弹珠，即“固体”香水，但是此方法获得液体弹珠的尺寸不可控，完全受液滴尺寸的影响。
5.专利cn106914196a公开了一种基于液体弹珠制备载水微胶囊的方法，通过在液体表面包裹一层超疏水粉末形成液体弹珠，然后将液体弹珠置于低温环境下冷冻，再在冷冻后的液体弹珠表面浸渍涂布瞬干胶，将液体弹珠进行“封装”，最后在“封装”后的液体弹珠表面浸渍涂布光固化涂层，通过紫外辐射固化，得到载水微胶囊。这种方法制备过程复杂且效率不高。
6.以往，液体弹珠改性过程需要通过将液滴移至粉盘上进行粉体附着，形成的液体弹珠尺寸受到出料装置的影响，且存在液滴表面的粉体附着存在不均匀问题，易出现粉体脱落导致液体弹珠失去利用价值；此外，制备过程会出现粉体四处扩散弥漫问题，造成粉尘污染，从而对人体和环境产生较大危害。


技术实现要素：

7.申请人针对上述现有技术中的缺点，提出一种粉体超声流化作用下的液体弹珠表面改性装置及方法，可实现液体弹珠表面粉体均匀附着，实现液体弹珠的表面改性，同时能够调控改性后液体弹珠的尺寸，适应实际生产需求。本发明旨在通过粉体超声流化，高效完成液体弹珠的表面改性，解决表面改性过程中粉体在空间任意扩散的问题，减少了环境污染，提高了表面改性的效率。
8.本发明提出的一种粉体超声流化作用下的液体弹珠表面改性装置及方法，可以制备亚微米级的液体弹珠。本发明的技术方案利用超声波将粉体悬浮在腔体的中轴线位置，液滴沿中轴线下落，穿过粉体时会在其表面附着一层粉体。通过微波发射装置施加一定强度的微波，使粉体能均匀且紧密附着于液体弹珠表面，使液体弹珠表面得到改性，并且能调控液体弹珠尺寸。整个液体弹珠的表面改性过程清洁无污染且能够提高粉体的利用率。
9.本发明中，液滴的定义是是从进料滴管中滴出的微小液滴，液体弹珠的定义是液滴表面被包覆粉体改性并微波干燥后的球形颗粒。
10.本发明所采用的技术方案具体如下：
11.本发明首先提供一种粉体超声流化作用下的液体弹珠表面改性装置，所述装置包括：进料滴管(1)、防尘盖(7)、第一腔体(2)、液滴中央聚集管(3)、第二腔体(4)及微波强化通道(6)；其中：所述防尘盖(7)设置于所述第一腔体(2)的上方，所述防尘盖(7)上设置有进粉口(8)和出气微孔(9)；所述进料滴管(1)通过铁夹(10)夹持并穿过所述防尘盖(7)连通至所述液滴中央聚集管(3)；所述液滴中央聚集管(3)位于所述第一腔体(2)的内部；所述液滴中央聚集管(3)上端连接至所述防尘盖(7)，下端由所述第二腔体(4)的底部支撑；所述第一腔体(2)的内壁附着有电极片(21)，所述电极片(21)能够与所述第一腔体(2)内的所述液滴中央聚集管(3)之间形成电场；所述第二腔体(4)与所述第一腔体(2)相连通，并且所述第二腔体(4)通过凹球阀门(5)连接至所述微波强化通道(6)。
12.根据本发明的装置，在一种实施方式中，所述第二腔体(4)的侧壁间隔设置有进气段(41)及超声发射段(42)，所述进气段(41)设置有进气微孔(411)，并通过进气管路(412)以及进气阀门(413)调节气流速度，所述进气段(41)的内侧设置有“l”型电极板(43)；所述超声发射段(42)的外侧粘贴有第一超声波换能器(421)、第二超声波换能器(422)、第三超声波换能器(423)；所述进气管路(412)内径为8mm～12mm，并采用pvc材质；所述进气微孔(411)的直径为1mm～2mm。
13.根据本发明的装置，在一种实施方式中，所述第一超声波换能器(421)、所述第二超声波换能器(422、所述第三超声波换能器(423)发射的超声波在第二腔体(4)内形成声场，超声发射段采用金属材质。
14.根据本发明的装置，在一种实施方式中，所述防尘盖(7)通过螺栓连接于所述第一腔体(2)上端，所述防尘盖(7)上的出气微孔(9)中设置有孔径远小于粉体直径的滤网；所述防尘盖(7)采用绝缘材质；所述进料滴管(1)的上端与微通道注射泵相连，所述进料滴管(1)的内径为0.3mm～0.8mm，并采用绝缘材质。
15.根据本发明的装置，在一种实施方式中，所述液滴中央聚集管(3)成倒锥型结构，其管壁均匀分布“扩
‑
缩
‑
扩”结构孔道，所述液滴中央聚集管(3)上端焊有导线，所述导线与直流电源相连，所述液滴中央聚集管(3)采用可导电金属材质。
16.根据本发明的装置，在一种实施方式中，所述凹球阀门(5)结构为：左阀门(51)和右阀门(52)配合而成，所述右阀门(52)的右端焊接调节手柄(53)；所述左阀门(51)粘接在所述第二腔体(4)下端以及所述微波强化通道(6)上端，所述右阀门(52)可通过所述调节手柄(53)调整位置；所述凹球阀门(5)凹面最底端与水平面呈7
°
～10
°
。
17.根据本发明的装置，在一种实施方式中，所述微波强化通道(6)的外部设置有微波发射装置(62)，所述微波发射装置选用微波振荡器或者微波磁控管，所述微波强化通道(6)采用pvc材质。
18.本发明进一步提供一种粉体超声流化作用下的液体弹珠表面改性方法，所述方法应用于本发明所述的装置，所述方法包括如下步骤：
19.步骤一：打开进气阀门(413)，在第一腔体(2)和第二腔体(4)中形成上升气流；将电极板(21)和液滴中央聚集管(3)接电，在所述第一腔体(2)和所述液滴中央聚集管(3)之间形成电场；开启第一超声波换能器(421)、第二超声波换能器(422)、第三超声波换能器(423)，在所述第一腔体(2)及所述第二腔体(4)内产生超声波场；
20.步骤二：粉体通过进粉口(8)进入所述第一腔体(2)内，并在电场、上升气流以及超声波的驱动下，进入液滴中央聚集管(3)内腔并在液滴中央聚集管(3)的中轴线上产生有序悬浮；通过进料管道(1)向液滴中央聚集管(3)的内腔滴入液滴，液滴在下落过程中接触粉体，微液滴表面得到粉体包覆改性，形成了液体弹珠，并且在凹球阀门(5)处停留；
21.步骤三：关闭所述进气阀门(413)，关闭第一超声波换能器(421)、第二超声波换能器(422)、第三超声波换能器(423)，将所述电极板(21)与所述液滴中央聚集管(3)电位反接，并在“l”形电极板(43)接电后，调节所述凹球阀门(5)的开启度，控制液体弹珠进入微波强化通道(6)，调整微波发射装置(62)发射微波的频率、功率以及作用时间，以对液体弹珠的尺寸进行调控制，并由微波强化通道(6)下部的辅助收集管路(61)对液体弹珠进行收集；
22.步骤四：关闭所述微波发射装置(62)，切断所述电极板(21)的电压，关闭所述凹球阀门(5)后，开启所述防尘盖(7)，将腔体内部残留的粉体进行收集。
23.根据本发明的方法，在一种实施方式中，所述方法利用电场、气流场驱动粉体向液滴中央聚集管(3)的中轴线迁移，并在位于中轴线的超声波场的作用下悬浮；并且，自所述液滴中央聚集管(3)的中轴线下落的微液滴经过悬浮粉体后时，粉体迅速包覆于微液滴的表面，并在形成液体弹珠后下落至凹球阀门(5)停留。
24.根据本发明的方法，在一种实施方式中，所述方法通过控制凹球阀门(5)的开启度，调控液体弹珠落入微波强化通道(6)内，并且能够通过微波发射装置控制微波强化通道(6)内微波强度、微波作用时间，使得液体弹珠表面粉体包覆更加紧密，且能够调控液体弹珠尺寸。
25.本发明的有益效果如下：
26.本发明的装置结构紧凑、合理，操作方便。通过气流场、电场、声场三者叠加，粉体在声场作用下在第一腔体弥漫，在电场作用下向轴线移动，在声场作用下能够均匀悬浮在第一腔体内部的中轴线迁移并且悬浮。液滴下落过程中与悬浮粉体接触，粉体能够均匀包裹于微液滴表面；同时利用微波对液体弹珠表面粉体附着强化，且能够调控液体弹珠粒径，使得液体弹珠的直径达到亚微米级。
27.此外，本发明还具有如下优点：
28.(1)实现粉体在腔体内均匀扩散；通过在第二腔体设置进气微孔以及防尘盖上设置出气微孔，在装置内产生上升气流，实现粉体在腔体内的扩散效果。
29.(2)电场加速粉体向液滴中央聚集管的内腔迁移；通过使液滴中央聚集管壁带电，与第一腔体之间形成电场，在电场力作用下，第一腔体内悬浮的粉体，透过液滴中央聚集管管壁上的“扩
‑
缩
‑
扩”孔道向液滴中央聚集管的内腔迁移，增大了粉体与液滴表面的接触概率。
30.(3)超声波强化粉体附着于液滴表面；通过第二腔体外围间隔设置的超声波换能器，在液滴中央聚集管的中轴线位置产生交叉的声场，在交叉声场位置粉体的震动频率最大，能够加强粉体附着效果。
31.(4)避免液体弹珠大量堆积；液体弹珠下落后在凹球阀门处停留，可以通过手柄调整凹球阀门的开启度，调控液体弹珠进入微波微波强化通道的频率；并且凹球阀门底部与水平面呈7
°
～10
°
角，液体弹珠下落后会沿着斜面在阀门底部停留；在阀门打开时，液体弹珠会沿着倾斜斜面下落，避免了液体弹珠堆积。
32.(5)液体弹珠尺寸精准调控；通过控制微波的功率和作用时间，利用微波来传递能量，使得液体弹珠表面的粉体包覆更加紧密；通过微波加热液体弹珠，蒸发液体弹珠内部部分液相，达到调控液体弹珠尺寸的目的。
附图说明
33.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
34.图1为根据本发明的装置的结构总体示意图；
35.图2为图1中装置的a部局部放大示意图；
36.图3为本发明的装置中，液滴中央聚集管的结构示意图。
37.图4为图1中装置的b部局部放大示意图；
38.图中：1、进料滴管；2、第一腔体；21、电极板；3、液滴中央聚集管；4、第二腔体；41、进气段；411、进气微孔；412、进气管路；413、进气阀门；42、超声发射段；421、第一超声波换能器；422、第二超声换能器；423、第三超声换能器；43、“l”形电极板；5、凹球阀门；51、左阀门；52、右阀门；53、调节手柄；6、微波强化通道；61、辅助收集管路；62、微波发射装置；7、防尘盖；8、进粉口；9、出气微孔；10、铁夹；ⅰ、虚线区域。
具体实施方式
39.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
40.实施例一：
41.如图1所示，本实施例提供一种粉体超声流化作用下的液体弹珠表面改性装置，包括：进料滴管1、防尘盖7、第一腔体2、液滴中央聚集管3、第二腔体4及微波强化通道6；其中，所述防尘盖7设置于所述第一腔体2的上方，所述防尘盖7上设置有进粉口8和出气微孔9；
42.所述进料滴管1通过铁夹10夹持并穿过所述防尘盖7连通至所述液滴中央聚集管3；所述液滴中央聚集管3位于所述第一腔体2的内部；所述液滴中央聚集管3上端连接至所述防尘盖7，下端由所述第二腔体4的底部支撑；所述第一腔体2的内壁附着有电极片21，所述电极片21能够与所述第一腔体2内的所述液滴中央聚集管3之间形成电场；所述第二腔体4与所述第一腔体2相连通，并且所述第二腔体4通过凹球阀门5连接至所述微波强化通道6。
43.在一种实施方式中，所述第二腔体4的侧壁间隔设置有进气段41及超声发射段42，并且所述第二腔体4的两侧为对称结构；如图2所示，所述进气段41设置有进气微孔411，并通过进气管路412以及进气阀门413调节气流速度，所述进气段41的内侧设置有“l”型电极板43；所述超声发射段42外侧粘贴有第一超声波换能器421、第二超声波换能器422、第三超声波换能器423；所述进气管路412内径为8mm～12mm，所述进气微孔411的直径为1mm～2mm，并采用pvc材质。
44.在一种实施方式中，所述第一超声波换能器421、所述第二超声波换能器422、所述第三超声波换能器423发射的超声波在第二腔体4内形成声场，超声发射段42采用金属材质。
45.在一种实施方式中，所述防尘盖7通过螺栓连接于所述第一腔体2上端，所述防尘盖7上的出气微孔9中设置有孔径远小于粉体直径的滤网；所述防尘盖7采用绝缘材质；所述进料滴管1的上端与微通道注射泵相连，所述进料滴管1的内径为0.3mm～0.8mm，并采用绝缘材质。
46.在一种实施方式中，所述液滴中央聚集管3成倒锥型结构，如图3所示，其管壁均匀分布“扩
‑
缩
‑
扩”结构孔道，所述液滴中央聚集管3上端焊有导线，所述导线与直流电源相连，所述液滴中央聚集管3采用可导电金属材质。
47.在一种实施方式中，如图4所示，所述凹球阀门5结构为：左阀门51和右阀门52配合而成，所述右阀门52的右端焊接调节手柄53；所述左阀门51粘接在所述第二腔体4下端以及所述微波强化通道6上端，所述右阀门52可通过所述调节手柄53调整位置；所述凹球阀门5的凹面最底端与水平面呈7
°
～10
°
。
48.在一种实施方式中，所述微波强化通道6的外部设置有微波发射装置62，微波发射装置62能够微波振荡器或者微波磁控管，所述微波强化通道6采用pvc材质。
49.本实施例的一种粉体超声流化作用下的液体弹珠表面改性装置，其操作的具体流程如下：
50.第二腔体4的进气段阀门413开启，气流从进气管412经过进气微孔411进入该腔体内，并在整个腔体内形成上升气流；同时第一腔体2周围电极板21以及液滴中央聚集管3接电，形成均匀电场，随后开始从进粉口8缓缓加入改性粉体颗粒，粉体颗粒在上升气流作用下，在整个腔体内扩散；由于电场力的作用，粉体会向着液滴中央聚集管3迁移，并透过液滴中央聚集管3管壁的孔道向液滴中央聚集管3内侧迁移。自下往上依次开启超声波换能器421、422、423，在如图1所示的虚线区域ⅰ处产生交叉的声场，粉体在虚线区域ⅰ处具有较大频率的震动，此时开始从进料滴管1滴入微液滴，微液滴下落过程中会经过图1虚线区域ⅰ的交叉声场，在此位置粉体大量附着到微液滴表面形成液体弹珠。液体弹珠继续下落，至第二腔体4最底端，在凹球阀门5处停留。
51.继续将第二腔体4的进气段阀门413开启，气流从进气管412经过进气微孔411进入
腔体内，并在整个腔体内形成上升气流；此时将第一腔体2周围电极板21与液滴中央聚集管3上电压反接，同时接通第二腔体4上的“l”形电极板43的电压，将悬浮在腔体中的粉体在电场力作用下向着电极板迁移收集。
52.开启微波强化通道6周围微波发射装置62，并通过调节凹球阀门5的开启度，控制液体弹珠进入微波强化通道6的数量。调整微波发射装置62发射微波的频率、功率以及微波持续时间，可以对液体弹珠的尺寸进行调控，并由微波强化通道6下部的辅助收集管路61进行收集。
53.在所有液体弹珠收集完成后，关闭微波发射装置62，切断电极板电压，关闭凹球阀门5后，开启防尘盖7，将腔体内部残留的粉体收集后复原。
54.实施例二：
55.本发明进一步提供一种粉体超声流化作用下的液体弹珠表面改性方法，所述方法应用于实施例一中所述的装置，所述方法包括如下步骤：
56.步骤一：打开进气阀门413，在第一腔体2和第二腔体4中形成上升气流；将电极板21和液滴中央聚集管3接电，在所述第一腔体2和所述液滴中央聚集管3之间形成电场；开启第一超声波换能器421、第二超声波换能器422、第三超声波换能器423，在所述第一腔体2及所述第二腔体4内产生超声波场；
57.步骤二：粉体通过进粉口8进入所述第一腔体2内，并且在气流场、电场、以及超声波的驱动下，进入液滴中央聚集管3内腔并在液滴中央聚集管3的中轴线上产生有序的悬浮；通过进料管道1向液滴中央聚集管3的内腔滴入微液滴，微液滴在下落过程中接触粉体，微液滴表面得到粉体包覆改性，形成了液体弹珠，并且在凹球阀门5处停留；
58.步骤三：关闭所述进气阀门413，关闭第一超声波换能器421、第二超声波换能器422、第三超声波换能器423，将所述电极板21与所述液滴中央聚集管3电位反接，并在“l”形电极板43接电后，调节所述凹球阀门5的开启度，控制液体弹珠进入微波强化通道6，并调整微波发射装置62发射微波的频率、功率以及作用时间，以对液体弹珠的尺寸进行调控，并由微波强化通道6下部的辅助收集管路61对液体弹珠进行收集；
59.步骤四：关闭所述微波发射装置62，切断所述电极板21的电压，关闭所述凹球阀门5后，开启所述防尘盖7，将腔体内部残留的粉体进行收集。
60.根据本发明的方法，在一种实施方式中，所述方法利用气流场、电场共同驱动粉体向液滴中央聚集管3的中轴线迁移，并在超声波场的作用下向液滴中央聚集管3内腔的中轴线悬浮；并且，自所述液滴中央聚集管3的中轴线下落的微液滴经过悬浮粉体后时，粉体迅速包覆于微液滴的表面而形成液体弹珠，最后下落至凹球阀门5停留。
61.根据本发明的方法，在一种实施方式中，所述方法通过控制凹球阀门5的开启度，控制液体弹珠落入微波强化通道6内的数量，通过控制微波强化通道6内微波强度、微波作用时间，使得微液滴表面粉体包覆更加紧密，且能够调控液体弹珠尺寸。
62.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。