电渗泵和包括该电渗泵的流体泵送系统的制作方法

电渗泵和包括该电渗泵的流体泵送系统
1.本申请是申请日为2017年6月16日，申请号为201780040976.3，发明名称为“电渗泵和包括该电渗泵的流体泵送系统”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
2.本发明涉及电渗泵和包括该电渗泵的流体泵送系统。


背景技术：

3.电渗泵为利用当电压施加至毛细管或多孔分离膜的两端而出现的流体运输现象的泵。因此，当使用电渗构成泵时，用于电压施加的电极基本上用在毛细管或多孔分离膜的两端。
4.常规上，化学上稳定的铂经常用作电极材料。但是，铂对于水，具有低的氢超电势，并且因此当在多孔分离膜的两端实际施加数伏特或更高的电势差时，在阴极产生氢气，并且气体产生成为限制电渗泵商业化的一个因素。
5.已经通过将能够氧化和还原的材料引入电极，代替水的电解反应，解决了在电极处通常出现的气体产生的问题，并且银(ag)/氧化银(ago)、mno(oh)、聚苯胺等用作电化学反应的材料。
6.同时，用于电渗泵的电极必须同时能够引起电化学反应并且使得工作流体(例如，水)穿过。
7.因为电极必须同时提供用于电化学反应的位点和使得工作流体自由穿过，所以呈现高孔隙率的碳纸和碳织物已经广泛地用于电极，并且通过将电化学反应材料(例如，银(ag)/氧化银(ago)、mno(oh)、聚苯胺等)电沉积或涂布至碳材料的表面的方法而制造的那些电极已经被广泛地施用。
8.但是，通过将电化学反应材料电沉积或涂布至多孔碳电极(例如，碳纸电极或碳织物电极)的方法制造的这些电极具有极具挑战性的问题，在于随着电渗泵重复操作，电沉积或涂布在电极上的电化学反应材料被消耗并且分离，使得碳电极表面被暴露，并且在暴露的碳电极表面上出现新的电化学反应(例如，水的电解)，作为副反应，从而快速增加了电渗泵的功率消耗。当出现这种现象时，在电渗泵使用电池的情况下，明显缩短了其使用的时间。
9.当泵应用于待连接至人体或可穿戴医学设备的贴片型药物递送设备时，在确定实际应用时，泵的运转需要的电力是一个重要因素。
10.另外，随着对于通过在人体内侧植入小泵而递送药物的方法逐渐感兴趣，对于可稳定转运而没有任何副反应的电渗泵的兴趣逐渐增加，并且因此，正在进行对于改善电渗泵的稳定性、寿命特性和效率的研究。


技术实现要素：

11.技术问题
12.在示例性实施方式中，本发明提供了电渗泵，其中没有由于出现电化学反应材料的消耗或分离造成的副反应，即使在长时间运转之后，并且因此不出现随后电流消耗和功率消耗的增加，因此具有优异的稳定性、寿命特性和效率。
13.在另一示例性实施方式中，本发明提供了流体泵送系统，所述流体泵送系统包括电渗泵。
14.技术方案
15.在示例性实施方式中，本发明提供了电渗泵，所述电渗泵包括：膜；提供在膜的一个表面上的第一电极，所述第一电极包括多孔载体和在多孔载体上形成的电化学反应材料，所述多孔载体包括绝缘体；以及提供在膜的另一个表面上的第二电极，所述第二电极包括多孔载体和在多孔载体上形成的电化学反应材料，所述多孔载体包括绝缘体。
16.绝缘体可包括选自由以下组成的组中的至少一种：不显示导电性的陶瓷、不显示导电性的聚合物树脂、不显示导电性的玻璃和其组合。
17.不显示导电性的陶瓷可包括选自由以下组成的组中的至少一种：岩棉、石膏、陶瓷、水泥和其组合。
18.不显示导电性的聚合物树脂可包括选自由以下组成的组中的至少一种：合成纤维，所述合成纤维选自由聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯腈和其组合组成的组中；天然纤维，所述天然纤维选自由羊毛、棉花和其组合组成的组中；海绵；源自生物有机体的多孔材料；和其组合。
19.不显示导电性的玻璃可包括选自由以下组成的组中的至少一种：玻璃丝、玻璃粉、多孔玻璃和其组合。
20.多孔载体可具有非织物、织物、海绵或其组合的形状。
21.多孔载体可具有约0.1μm至约500μm的孔径。
22.多孔载体可具有约5％至约95％的孔隙率。
23.电化学反应材料可包括选自由以下组成的组中的至少一种：银/氧化银、银/氯化银和其组合。
24.在另一示例性实施方式中，本发明提供了流体泵送系统，所述流体泵送系统包括电渗泵。
25.有益效果
26.根据示例性实施方式的电渗泵的优势在于没有由于出现消耗或分离电化学反应材料而引起的副反应，即使在长时间运转之后，并且因此不出现随后电流消耗和功率消耗的增加，从而能够改善稳定性、寿命特性和效率，同时因为不使用高成本的碳电极(例如，碳纸电极、碳织物电极等)降低了制造成本。
附图说明
27.图1是图解根据本发明的示例性实施方式的电渗泵的示意图。
28.图2a和图2b是图解根据本发明的示例性实施方式的电渗泵中的可逆电极反应，和随后离子和流体的移动的示意图。
29.图3是根据本发明的示例性实施方式的电渗泵的分解透视图。
30.图4是图3中阐释的电渗泵的横截面图。
31.图5是根据实施例1制造的电极的电子显微镜图。
32.图6是实施例2中制造的电渗泵14小时的时间的电流特性曲线。
33.图7是比较例2中制造的电渗泵10分钟的时间的电流特性曲线。
34.图8是比较例2中制造的电渗泵14小时的时间的电流特性曲线。
具体实施方式
35.下文，将详细描述本发明的示例性实施方式，从而本领域技术人员可容易参考附图对其进行实施。但是，本发明可具体化为许多不同的形式，并且不限于本文所述的这些实施方式。
36.附图中，为了清楚，放大了层、区域等的厚度。遍及说明书，相同的参考数值指示相同的要素。当层、膜、涂层等的一部分被称为“在”另一组成要素“上”时，其不仅仅包括“在”另一组成要素的“顶部上”的情况，而且也包括其中另一组成要素设置在它们之间的情况。
37.遍及说明书，当部件“包括”某些组成要素时，意思是该部件可包括其他组成要素，而不排除其他组成要素，除非另外特别指出，并且“组合”意思是混合、聚合或共聚合。
38.下文，将参考图1至图4解释根据本发明的示例性实施方式的电渗泵。
39.图1是图解根据本发明的示例性实施方式的电渗泵的示意图。
40.参考图1，电渗泵100包括膜11；提供在膜11的一个表面上的第一电极13，所述第一电极13包括多孔载体和在多孔载体上形成的电化学反应材料，所述多孔载体包括绝缘体；以及提供在膜11的另一个表面上的第二电极15，所述第二电极15包括多孔载体和在多孔载体上形成的电化学反应材料，所述多孔载体包括绝缘体。
41.第一电极13和第二电极15连接至电源供应部件17。第一电极13和第二电极15可连接至电源供应部件17，例如，通过导线，但是连接方式不限于此，只要它们可电连接。
42.膜11安装在流体路径部件19和19'中，流体穿过其而移动，并且膜11可具有多孔结构，以确保流体和离子穿过其移动。
43.膜11可为通过加热烧结球形二氧化硅制造的玻璃料型(frit
‑
type)膜，但是膜不限于此，并且可使用任何材料，比如通过电动电势可引起动电现象的多孔二氧化硅或多孔氧化铝。
44.膜的形成中使用的球形二氧化硅具有的直径可为约20nm至约500nm，尤其约30nm至约300nm，和更尤其约40nm至约200nm。当球形二氧化硅的直径在上述范围内时，电渗泵可能够产生较大的压力。
45.膜11具有的厚度可为约20μm至约10mm，尤其约300μm至约5mm，和更尤其约1000μm至约4mm。当膜11的厚度在上述范围内时，膜可呈现足够的强度，以经受电渗泵的制造、使用或储存期间施加的机械冲击，并且其也可呈现足够的流量，以用作用于药物递送的泵。
46.第一电极13和第二电极15分别包括多孔载体和在多孔载体上形成的电化学反应材料，所述多孔载体包括绝缘体。具体地，分别包括在第一电极13和第二电极15中的包括绝缘体的多孔载体可彼此相同或不同，并且分别包括在第一电极13和第二电极15中的电化学反应材料可彼此相同或不同。
47.第一电极13和第二电极15通过具有多孔结构，可利于流体和离子的有效的移动。
48.形成多孔载体的绝缘体可包括选自由以下组成的组中的至少一种：不显示导电性
的陶瓷、不显示导电性的聚合物树脂、不显示导电性的玻璃和其组合，但是绝缘体不限于此。
49.这样，当包括绝缘体的多孔载体用在第一电极13和第二电极15中时，第一电极13和第二电极15中使用的电化学反应材料在电渗泵的长时间运转之后，被消耗或分离，并且因此，即使当暴露多孔载体时，也不出现副反应(例如，水电解)(其通常当使用碳纸或碳织物纤维时，由于暴露碳纸或碳织物纤维而出现)，并且从而可防止不必要的电流消耗和功率消耗。如此，可实现具有稳定的运转特性、优异的寿命稳定性、优异的电效率，并且可降低制造成本的电渗泵。
50.不显示导电性的陶瓷可包括选自由以下组成的组中的至少一种：岩棉、石膏、陶瓷、水泥和其组合，并且尤其选自由以下组成的组中的至少一种：岩棉、石膏和其组合，但是不显示导电性的陶瓷不限于此。
51.同时，不显示导电性的陶瓷可为，例如，陶瓷粉末或天然多孔陶瓷的烧结材料，但是不显示导电性的陶瓷不限于此。
52.不显示导电性的聚合物树脂可包括选自由以下组成的组中的至少一种：合成纤维，所述合成纤维选自由聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯腈和其组合组成的组中；天然纤维，所述天然纤维选自由羊毛、棉花和其组合组成的组中；海绵；源自生物有机体的多孔材料(例如，生物有机体的骨头)；和其组合，但是不显示导电性的聚合物树脂不限于此。
53.不显示导电性的玻璃可包括选自由以下组成的组中的至少一种：玻璃丝、玻璃粉、多孔玻璃和其组合，但是不显示导电性的玻璃不限于此。
54.多孔载体可通常具有非织物、织物、海绵或其组合的形式，但是多孔载体的形式不限于此，只要载体具有因此确保流体和离子的运输的孔隙率。
55.多孔载体可具有约0.1μm至约500μm，尤其约5μm至约300μm，和更尤其约10μm至约200μm的孔径。当多孔载体的孔径在上述范围内时，流体和离子可有效地移动，并且因此可有效改善电渗泵的稳定性、寿命特性和效率。
56.多孔载体可具有约5％至约95％，尤其约50％至约90％，和更尤其约60％至约80％的孔隙率。当多孔载体的孔隙率在上述范围内时，流体和离子可有效地移动，并且因此可有效改善电渗泵的稳定性、寿命特性和效率。
57.就电化学反应材料而言，可使用在电极反应期间可形成一对反应，其中阳极和阴极可交换阳离子(例如，氢离子(h
+
))并且同时构成可逆电化学反应的任何材料，比如银/氧化银和银/氯化银。
58.具体而言，电化学反应材料可包括选自由以下组成的组中的至少一种：银/氧化银、银/氯化银、mno(oh)、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚硫堇、醌类聚合物和其组合。
59.当使用如上述的电化学反应材料时，通过水电解之外的方法氧化和还原是可能的，并且因此可有效改善电渗泵的稳定性、寿命特性和效率。
60.可通过在包括绝缘体的多孔载体上使用方法，比如化学电镀、电镀、真空沉积、涂布、溶胶
‑
凝胶工艺等的电沉积或涂布形成电化学反应材料，但是方法不限于此，并且根据使用的电化学反应材料的种类，电化学反应材料可使用适当的方法形成在包括绝缘体的多孔载体上。
61.电源供应部件17连接至第一电极13和第二电极15以提供电力，从而可在第一电极13和第二电极15中发生电化学反应，并且通过阳离子的运输可发生第一电极13和第二电极15的电化学反应。
62.电源供应部件17可以交替地为第一电极13和第二电极15提供电压的极性，并且具体地，电源供应部件17交替地提供电压的极性意思是可包括交替地在相反的方向上提供电流的意思。通过该过程，电渗泵100可通过流体的移动产生压力(泵送电力)，并且同时地，可重复发生第一电极13和第二电极15的电化学反应材料的消耗和再生。
63.例如，电源供应部件17可包括直流电压供应部件(未显示)，其为第一电极13和第二电极15的每一个提供直流电压。另外，电源供应部件17可包括电压方向转换部件(未显示)，其交替地以预定的时间转换提供至第一电极13和第二电极15的每一个的直流电压的极性。综上所述，以预定的时间，连续将施加至第一电极13和第二电极15的每一个的电压改变至相反的极性是可以的。
64.流体路径部件19和19'提供在两个方向上移动的流体的移动路径，膜11、第一电极13和第二电极15设置在它们之间。
65.具体地，流体路径部件19和19'可具有其中流体在内部填充的容器形状(例如，圆柱体形状)，但是形状不限于此。
66.流体不仅仅可填充流体路径部件19和19'，而且也填充膜11以及第一和第二电极13和15。
67.流体路径部件19和19'可具有用于转移压力的开口(泵送电力)。例如，开口可在被膜11以及第一和第二电极13和15分成两个部分的空间中的任何一个空间或两个空间上形成，并且从而通过使流体移动至外部而提供压力(泵送电力)。
68.图2a和图2b是图解根据本发明的示例性实施方式的电渗泵中的可逆电极反应，和随后离子和流体的移动的示意图。
69.参考图2a和图2b，当电压不同地提供至第一电极13和第二电极15，例如，具有在整个电源供应部件17上具有电压的极性的差时，第一电极13和第二电极15之间出现电压差。
70.通过这种电压差，由于电极反应，在阳极中产生阳离子(m
x+
)，并且随着阳离子(m
x+
)朝着阴极移动，它们随着流体一起移动，从而产生流体移动量和压力(泵送电力)。
71.当电力通过电源供应部件17提供至第一电极13和第二电极15时，可通过交替提供电压的极性，改变阳极和阴极，并且结果，可改变离子和流体的移动方向，以及压力(泵送电力)和流体量的方向。
72.由于交替提供电压极性，当已经用作阳极的电极的作用变为用作阴极时，当电极用作阳极时消耗的电化学活性材料，可随着电极用作阴极被回收，并且反之亦然，从而确保电渗泵的连续操作。
73.以其中银/氧化银用作电化学反应材料和水溶液用作流体的情况作为例子，阳极中发生如反应方案1中显示的反应并且阴极中发生如反应方案2中显示的反应。在该情况下，移动的阳离子是氢离子(h
+
)，并且氢离子(h
+
)具有相对快的离子运输的速度并且因此与离子一起移动的流体的运输速度可能也同样快，因此能够有效改善电渗泵100的性能。
74.[反应方案1]
[0075]
ag(s)+h2o
→
ag2o(s)+2h
+
+2e
‑
[0076]
[反应方案2]
[0077]
ag2o(s)+2h
+
+2e
‑
→
ag(s)+h2o
[0078]
在其中第一电极13和第二电极15使用银/氧化银之外的材料作为电化学反应材料并且水溶液之外的材料用作流体的情况下，显然氧化/还原反应方案可相应地改变，并且可改变产生和运输的阳离子。
[0079]
图3是根据本发明的示例性实施方式的电渗泵的分解透视图，和图4是图3中阐释的电渗泵的横截面图。
[0080]
参考图3和图4，膜11可为圆盘的形式。具体地，涂层材料、阻挡片、粘合片等可结合至膜11的外部圆周表面上，以防止流体渗漏。
[0081]
另外，第一电极13和第二电极15可具有圆盘形状，以便对应于膜11的形状，且具体地，涂层材料、阻挡片、粘合片等也可结合至第一电极13和第二电极15的外部圆周表面上，以防止流体渗漏。
[0082]
第一流体路径部件(19，见图1)可包括结合至第一电极13的中空部分的第一帽33。
[0083]
另外，第二流体路径部件(19'，见图1)可包括结合至第二电极15的中空部分的第二帽53。
[0084]
第一帽33和第二帽53具有两端，即第一电极13和第二电极15所在的端和与该端相对的端，所述与该端相对的端可连接至其中可运输流体的第一管40和第二管40'。
[0085]
第一管40和第二管40'可为例如硅树脂管，但是管材料不限于此。
[0086]
电渗泵100可包括第一接触带31，其与第一电极13的外部圆周表面相结合。
[0087]
另外，电渗泵100可包括第二接触带51，其与第二电极15的外部圆周表面相结合。
[0088]
第一接触带31和第二接触带51可各自连接至电源供应部件17，并且从而分别向第一电极13和第二电极15递送电压或电流。
[0089]
第一接触带31和第二接触带51可包括导电材料。具体而言，第一接触带31和第二接触带51可包括银(ag)、铜(cu)等，但是元素不限于此。
[0090]
如图3中显示的第一接触带31和第二接触带51可为圆形形式，其中第一电极13和第二电极15各自外部圆周表面与其相结合，但是形式不限于此。
[0091]
在另一示例性实施方式中，本发明提供了流体泵送系统，所述流体泵送系统包括电渗泵。流体泵送系统可形成在本领域通常使用的结构中，并且因此本文省略了具体细节。
[0092]
实施本发明的方式
[0093]
下文，将参考实施例和比较例更详细描述本发明。但是，这些实施例和比较例仅仅用于示意性目的而不旨在限制本发明的范围。
[0094]
实施例
[0095]
实施例1：制备涂布银(ag)的聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)非织物电极
[0096]
在室温下，用naoh水溶液(1.6g naoh/100ml水)冲洗10g的厚度为0.2mm的聚对苯二甲酸乙二醇酯非织物(huvis，lmf级)30分钟，用蒸馏水冲洗数次，用聚乙二醇的水溶液(peg 1000，0.08g聚乙二醇/100ml水)进行适应，并且再次用蒸馏水冲洗。
[0097]
在重复搅拌和冲洗的同时，使用sncl2(0.8g sncl2/100ml水)将所得物进行敏化过程5分钟，并且然后使用pdcl2(0.04g pdcl2/100ml水)进行活化过程30分钟。然后，使用10％hcl水溶液在室温下使所得物进行加速过程30分钟，并且然后用蒸馏水冲洗。
[0098]
将进行预处理过程的聚对苯二甲酸乙二醇酯非织物置于由硝酸银、氢氧化钠和氨组成的银溶液，和其中溶解有次磷酸钠的还原溶液中，并且进行化学电镀总计1小时。
[0099]
使用银板作为对电极，在两端电势差为2v下，对涂布银的聚对苯二甲酸乙二醇酯非织物进行阳极氧化，从而在表面上产生ag2o颗粒，并且其用作用于电渗泵的多孔电极。
[0100]
图5是根据实施例1制造的电极的电子显微镜图。
[0101]
通过从图5观察涂布在聚对苯二甲酸乙二醇酯非织物上的银和氧化银的形态，可确认银/氧化银非常均匀地分布，同时保持总体孔隙率。
[0102]
实施例2：制备电渗泵
[0103]
制备具有与图3和图4的那些相同形状的电渗泵。通过将球形二氧化硅(直径300nm)装载在模具中，通过施加1吨的载荷并在700℃下烧结，形成外径为8mm且厚度为1mm的硬币形状，而制备膜。
[0104]
将实施例1中制备的电极处理成外径为8mm的圆形形状，并且堆叠在膜的两侧上，以及随后安装接触带和帽，并使用环氧树脂密封外部。
[0105]
比较例1：制备涂布银(ag)的碳纸电极
[0106]
使厚度为0.28mm的碳纸(toray，日本，thp
‑
h
‑
090)在低压力等离子体设备中进行等离子体处理1小时。
[0107]
将等离子体处理后的碳纸放置在电镀槽中并且以30ma/cm2的电流密度涂布银10分钟。将涂布银的碳纸转移至不同的电镀槽并且以15ma/cm2的电流进行阳极氧化，从而制备其中ag2o层涂布在表面上的电极。
[0108]
电极制备为外径为8mm的圆形电极。
[0109]
比较例2：制备电渗泵
[0110]
以与实施例2中相同的方式制备电渗泵，不同之处是使用比较例1中制备的电极代替实施例1中制备的电极。
[0111]
测试例1：评估电渗泵的性能
[0112]
以1分钟的交替间隔，将2v的电势差施加至实施例2和比较例2中制备的电渗泵的两个电极的每一个10分钟，并且评估所得电流响应特性。另外，以1分钟的交替间隔，将2v的电势差施加至实施例2和比较例2中制备的电渗泵的两个电极的每一个14小时，并且评估所得电流响应特性。
[0113]
分别地，实施例2中制备的电渗泵的14小时的时间的电流特性曲线显示在图6中，比较例2中制备的电渗泵的10分钟的时间的电流特性曲线显示在图7中，并且比较例2中制备的电渗泵的14小时的时间的电流特性曲线显示在图8中。
[0114]
根据图6中显示的，可以确认的是在实施例2中制备的电渗泵中，甚至在长时间运转之后，保持恒定电流。
[0115]
同时，根据图7和8中显示的，在比较例2制备的电渗泵中，其中电流保持约10分钟，但是电流随着运转时间的增加而快速增加，从而增加了功率消耗。从上述结果可以确认，在比较例2制备的电渗泵中，随着运转时间延长，碳纸由于银/氧化银(即，电化学反应材料)的消耗或分离而被暴露，并且暴露的碳纸引起副反应(例如，水的电解)，从而快速增加了电渗泵的功率消耗。
[0116]
因此，可以确认与比较例2制备的电渗泵相比，就稳定性、寿命特性和效率而言，实
施例2制备的电渗泵更优异。
[0117]
尽管上面已经描述了本发明的优选实施方式，但是本发明不限于此，并且对本领域技术人员显而易见，可在权利要求、发明详述和附图的范围内，可作出各种改变和修饰。
[0118]
工业应用
[0119]
如上述，根据本发明的电渗泵包括电极，上述电极包含有包括绝缘体的多孔载体和在多孔载体上形成的电化学反应材料，并且结果，即使在长时间运转之后，既不出现由于电化学反应材料的消耗或分离的副反应，也不出现随后电流消耗或功率消耗的增加，从而确保了稳定性、寿命特性和效率的改善。