一种新型微珠筛选装置及方法

本发明应用微珠生产领域，具体涉及一种新型微珠装置及方法。
背景技术：
：玻璃微珠是近年来发展迅速、用途广泛、性能特殊的一种新型材料，应用于航空航天机械的除锈、城市交通道路的斑马线、禁停线、双黄线的夜间反光和交通标志牌的夜间反光装置中。目前，在反光微玻璃珠在制造过程中，为了遴选等直径的颗粒，往往采用颗粒筛进行筛选，但是颗粒筛筛选速度慢，效率低且不能适应于大规模的生产。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种新型微珠筛选装置及方法，提高了微珠筛选的效率。为解决上述技术问题，本发明提供了一种技术方案：一种新型微珠筛选装置，包括：具有一定高度的水槽，水槽内盛放有具有一定水平流速v的液体；容器，设置于所述水槽上方，用于盛放待筛选的微珠，所述微珠包括当量直径分别为dp1、dp2、dp3……dp(n-1)的微珠；容器下方设有卡槽，卡槽中设有可抽离的卡板，当卡板被抽离时，容器中的微珠落入所述水槽内，进行沉降筛选；采集通道，设置于水槽底部，用于筛选和采集微珠，包括按照所述液体的流动方向依次设置的第一至第n隔板；其中第一隔板和第二隔板之间形成第一采集通道，第二隔板和第三隔板之间形成第二采集通道，第三隔板和第四隔板之间形成第三采集通道……第n-1隔板和第n隔板之间形成第n-1采集通道；其中第一采集通道、第二采集通道、第三采集通道……第n-1采集通道分别用于采集当量直径为dp1、dp2、dp3……dp(n-1)的微珠；各隔板的高度和位置按以下公式确定：第一隔板上端距离卡板的垂直距离为sn；第二隔板上端距离卡板的垂直距离为sn；第三隔板上端距离卡板的垂直距离为sn-h2；第四隔板上端距离卡板的垂直距离为sn-h3；……第n隔板上端距离卡板的垂直距离为sn-hn-1；其中第n隔板、第n-1隔板，第n-2隔板……第二隔板与容器右侧的水平距离分别为wn-1、wn-2、wn-3……w1；其中式中ρp为所述微珠的密度，ρ为所述液体的密度，g为重力加速度，μ为动力粘度。按上述方案，所述水槽侧方连通有搅拌水槽，用于产生所述一定水平流速v的液体。按上述方案，所述的n＝4。一种微珠筛选方法，包括以下步骤：s1、将待筛选的微珠放入容器内，当水槽中的液体的水平流速为匀速v时，抽离卡板，微珠落入水槽中；s2、不同当量直径的微珠在水槽中水平流速为v的液体的影响下进行沉降，其中微珠根据当量直径的不同，由大到小分别落入第一至第n-1采集通道，从而完成对微珠的筛选。按上述方案，所述的s1中，根据待筛选的微珠直径、密度，以及容器中液体的密度、预设的水平流速v，设计水槽中各部分的尺寸。按上述方案，所述的s1中，先在水槽中加入液体，启动水槽侧方连通的搅拌水槽，待液体的水平流速达到匀速v时，再将待筛选的微珠放入水槽内。本发明的有益效果为：通过设置容器可实现单次对大量的微珠进行筛选，通过设置水槽以及采集通道，利用不同当量直径微珠在流动液体中水平移动速度和沉降速度的不同，可实现对微珠的快速筛选；进一步地，本装置可通过调整各隔板距离容器右侧的距离，以此调整采集通道的位置以及宽度，从而调整采集通道所收集的微珠规格；进一步地，本装置通过设置不同隔板的高度，可实现不同当量直径的微珠于同一时间落入采集通道，进一步提升了对微珠的筛选效率。附图说明图1为本发明一实施例的结构示意图；图中：1-水槽，2-容器，3-卡板，4-微珠，5-第一采集通道，6-第二采集通道，7-第三采集通道，8-第一隔板，9-第二隔板，10-第三隔板，11-第四隔板。具体实施方式为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例的附图，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。参见图1，一种新型微珠筛选装置，包括：具有一定高度的水槽1，水槽1内盛放有具有一定水平流速v的液体；容器2，设置于水槽1上方，用于盛放待筛选的微珠4，微珠4包括当量直径分别为dp1、dp2、dp3……dp(n-1)的微珠4；容器2下方设有卡槽，卡槽中设有可抽离的卡板3，当卡板3被抽离时，容器2中的微珠4落入所述水槽1内，进行沉降筛选；采集通道，设置于水槽1底部，用于筛选和采集微珠4，包括按照所述液体的流动方向依次设置的第一至第n隔板；其中第一隔板8和第二隔板9之间形成第一采集通道5，第二隔板9和第三隔板10之间形成第二采集通道6，第三隔板10和第四隔板11之间形成第三采集通道7……第n-1隔板和第n隔板之间形成第n-1采集通道；其中第一采集通道5、第二采集通道6、第三采集通道7……第n-1采集通道分别用于采集当量直径为dp1、dp2、dp3……dp(n-1)的微珠4；各隔板的高度和位置按以下公式确定：第一隔板8上端距离卡板3的垂直距离为sn；第二隔板9上端距离卡板3的垂直距离为sn；第三隔板10上端距离卡板3的垂直距离为sn-h2；第四隔板11上端距离卡板3的垂直距离为sn-h3；……第n隔板上端距离卡板3的垂直距离为sn-hn-1；其中通过设置不同的隔板高度，使得所有采集通道都具有最快的采集速度；第n隔板、第n-1隔板，第n-2隔板……第二隔板9与容器2右侧的水平距离分别为wn-1、wn-2、wn-3……w1；其中式中ρp为微珠4的密度，ρ为所述液体的密度，g为重力加速度，μ为动力粘度。进一步地，水槽1侧方连通有搅拌水槽，用于产生所述一定水平流速v的液体。进一步地，所述的n＝4。本实施例中，微珠4包括三种当量直径的规格，分别为dp1＝1000μm，dp2＝100μm，dp3＝10μm；下面对微珠4的运动过程作详细分析：微珠4沉降过程，其垂直方向运动分为加速运动过程与匀速运动过程；a)微珠匀速运动过程分析当微珠4进行匀速运动时，微珠4所受有重力(mg)、浮力和拖曳力设此时微珠4的运动速度为ut，于是有：整理得到速度公式：其中dp为微珠4的直径，ξd为曳力系数，ρp为微珠4的密度，ρ为液体的密度；根据流体力学可知：1、rep≤2，为层流区，又称斯托克斯区，此时2、2≤rep≤500，为过渡区，又称阿仑区，此时3、500<rep<2×105，为湍流区，又称牛顿区，此时ξd≈0.44(5)4、rep≥2×105时，ξd将突然下降，呈现不规则现象；其中，rep为雷诺数，rep＝dputρ/μ，曳力系数ξd为雷诺数的函数，μ为动力粘度(pa·s)，本实施例中仅对层流区进行分析。将式(3)中曳力系数ξd代入沉降速度ut的表达式中，得到：沉降过程中，不同微珠4会相互干扰，其中微珠4有丝状、片状等不规则形状，在计算时应以当量直径代入，并通过下式进行修正：其中，i为微珠4与液体的体积比；α为形状影响因子，为i的函数，关系式如下表：表1沉降速度微珠形状影响因子微珠情况i范围α取值公式不规则微珠0.15～0.5α＝1+305i2.84球形微珠0.2～0.5α＝1+229i3.43极稀薄悬浮液i<0.15α＝1～2b)微珠加速运动分析微珠4在液体中做加速运动时，垂直方向上受到的力有浮力fb、曳力fd、重力fb，于是有：其中ρp为微珠4的密度，ρ为液体的密度；根据牛顿第二定律有：fb＝fb-fd＝ma(11)式中ξd为曳力系数，a为微珠4在流动方向上的投影面积，a为微珠4的加速度。建立微珠4运动方程如下：s＝a+bt+ct2+dt3(12)s′＝b+2ct+3dt2(13)s″＝2c+6dt(14)s″′＝6d(15)式中，s为微珠4沉降的高度，a、b、c、d为式(12)一元三次方程的待定系数；t＝0时，可得：s＝a+bt+ct2+dt3＝0(16)可得a＝0；微珠4开始运动时，其速度为0，即s′＝0，所以有：s′＝b+2ct+3dt2＝0(17)可得b＝0；将a＝0、b＝0代入式(12)、式(13)、式(14)、式(15)中，得到：s＝ct2+dt3(18)s′＝2ct+3dt2(19)由于微珠4刚开始运动时，其速度为0，所受的拖曳力也为0，微珠4此时所受力可表示为：其中a0为初始加速度，m为微珠4质量，于是可得：由式(8)、式(9)、式(11)可得：s″＝2c+6dt＝a0(22)将t＝0代入式(23)得到：假设当t＝t时，微珠4所受重力、浮力以及拖曳力达到平衡，根据式(6)有：因为此时微珠4垂直方向所受合力为0，即加速度也为0，s″＝0，所以有：s″＝2c+6dt＝0(26)将式(27)代入式(25)中有：将式(24)代入(28)的解有：将式(29)、式(24)代入式(28)中，可得：其中t表示微珠4从开始运动到所受的重力、浮力、拖曳力达到平衡所需的时间；虽然式(30)无法直接得出t与微珠4与液体的比重有直接关系，但动力粘度μ与液体的比重有直接关系，μ＝ρν，其中ν为运动粘度；将式(30)、式(29)、式(24)代入式(18)得到微珠4所受的三个作用力达到平衡所需要的运动的高度距离：本实施例中，装置处于20℃环境下，微珠4与液体的动力粘度为1pa·s，微珠4的当量直径分为10μm、100μm、1000μm，下面分别分析三种微珠4的沉降过程；通过式(30)可得到三种微珠4在加速运动过程中，受到的三个作用力达到平衡所需的运动时间和运动距离分别为：微珠4当量直径为10μm：微珠4当量直径为100μm：微珠4当量直径为1000μm：由此可以看出三种不同当量直径的微珠4的加速运动过程时间和距离都很小，可以忽略不计，下面分析微珠4在液体中做匀速运动的过程：(a)当微珠4直径为10μm时：微珠4在所受三个作用力达到平衡后做匀速运动，其初速度为：沉降时间为：(b)当微珠4直径为100μm时：同理可得：(c)当微珠4直径为1000μm时：同理可得：其中，h1、h2、h3分别对应直径为10μm、100μm、1000μm的微珠4从开始做匀速运动到进入采集通道，其运动长度在垂直方向分量的距离，由于微珠4在垂直方向的运动分为加速运动过程和匀速运动过程，所以有：sn＝s1+h1＝s2+h2＝s3+h3(44)其中sn为微珠4从离开容器3到进入采集通道的垂直位移距离，由于s1、s2、s3都很小，可以忽略不计，所以：h1＝h2＝h3＝sn(45)由此可得，当微珠4直径为1000μm时，其沉降所需时间t3最短，对应第一采集通道5，直径为100μm和10μm的微珠4分别对应第二采集通道6和第三采集通道7。当微珠直径为1000μm时，落入第一采集通道5，其采集时间即沉降时间t3最短，若要使第二采集通道6的采集速度和第一采集通道5一样快，需要使第三隔板10相较于第二隔板9加高h2，则有：计算可得：同理，若要使第三采集通道7的采集速度和第一采集通道5一样快，需要使第四隔板11相较于第二隔板9加高h3，则有：计算可得：容器2的右侧与第四隔板11的水平距离为w3；w3为落入第三采集通道7的微珠4在沉降过程中进行的水平位移距离；w3的值为：容器2的右侧与第三隔板10的水平距离为w2；w2为落入第二采集通道6的微珠4在沉降过程中进行的水平位移距离；w2的值为：容器2的右侧与所述第二隔板9的水平距离为w1；w1为落入第一采集通道5的微珠4在沉降过程中进行的水平位移距离；w1的值为：一种新型微珠筛选方法，包括以下步骤：s1、将待筛选的微珠4放入容器2内，当水槽1中液体的水平流速为匀速v时，抽离卡板3，微珠4落入水槽1中；s2、不同当量直径的微珠4在水槽1中水平流速为v的液体的影响下进行沉降，其中微珠4根据当量直径的不同，由大到小分别落入第一至第n-1采集通道，从而完成对微珠4的筛选。进一步地，所述的s1中，根据待筛选的微珠4直径、密度，以及容器2中液体的密度、预设的水平流速v，设计水槽1中各部分的尺寸。进一步地，所述的s1中，先在水槽1中加入液体，启动水槽1侧方连通的搅拌水槽，待液体的水平流速达到匀速v时，再将待筛选的微珠4放入水槽1内。综上，本发明通过设置搅拌水槽使水槽内产生一定水平流速的液体，微珠在沉降过程中收到液体流速的影响落入预设位置的采集通道内，并且根据不同当量直径的微珠的沉降速度加高相应的采集通道的隔板，使得所有采集通道的采集速度都达到最大。以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的
技术领域：
，均同理包括在本发明的专利保护范围内。当前第1页12