基本信息
- 項目名稱：
- 磁懸浮分散合成儀的設計與應用研究
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 本設計是基于電磁鐵理論的基本原理，設計一種能適用于化學合成和材料學等領域的起磁懸浮和分散作用的合成儀器。具體設計是用軟磁鐵芯作為極柱、外側繞制線圈而構成，通過將常用交流電源整流為直流電后分別通入兩個線圈而產(chǎn)生磁場，儀器所產(chǎn)生的磁場強度可以通過極柱間距和電流隨時調(diào)節(jié)。
- 詳細介紹：
- 該磁懸浮分散合成儀的設計是以電磁鐵理論為基本原理，用軟磁鐵芯作為極柱、外側繞制線圈而構成，通過將常用的交流電轉換和整流為直流電后分別通入兩個線圈，即可在兩極柱間產(chǎn)生磁場，其磁場強度可通過電流和極柱間距來控制。該儀器主要用于磁相應性粒子的分散和聚合反應，也可以用于材料合成、化學產(chǎn)物提純及廢水的磁分離過程。本設計可以克服化學反應中很多缺陷，比如在有機物/磁性復合材料制備過程中，磁性粒子因其密度較有機聚合物大，從而容易沉淀于容器底部而造成濃度差。而將磁性粒子在磁場環(huán)境下懸浮于溶液中，就可以得以充分分散，從而合成性能更優(yōu)越的復合粒子。采用磁場將溶質(zhì)分散于溶液中進行反應，可以促使反應器中溶質(zhì)在不同方向的擴散和混合，從而能夠有效縮短反應時間；同時，利用置于反應容器支架內(nèi)的高斯計探頭，可以隨時讀出磁場強度，以便根據(jù)需求調(diào)節(jié)和控制磁場強度。本儀器基于電磁原理設計，科學準確，操作安全方便，制造成本低，在化學、材料學和生物學等領域有廣泛的應用前景。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 電磁材料及含鐵磁性粒子的復合材料因其獨特的電磁性能，一直是材料制備領域的研究熱點。磁相應性物質(zhì)除過渡金屬單質(zhì)及其化合物外，根據(jù)文獻報道，很多有機聚合物如聚吡咯、聚苯胺等都會因在磁場中合成而體現(xiàn)出優(yōu)越的性能，但因電磁性粒子本身密度差異較大、易團聚等特點而影響其合成和更廣泛的應用。本設計旨在發(fā)明一種能起到磁懸浮分散的合成儀器，可以根據(jù)需要，通過調(diào)節(jié)電流和磁極間距來控制磁場強度，在磁場環(huán)境下進行化學反應和材料合成。一方面，利用磁場的特殊空間作用力，使電磁性粒子通過洛侖茲力的作用而達到均勻和有序分布，從而使電磁性材料在合成過程中達到磁性粒子的均勻有序分散，并且可以根據(jù)要求設定磁場方向，達到制備的磁性材料內(nèi)的納米粒子按照要求排列，從而改變材料的電磁性能或力學性能；另一方面，根據(jù)經(jīng)典的自由基理論，當自由基對在化學反應中產(chǎn)生之后，它們的自旋狀態(tài)就會以一定形式在空間取向，構成了自由基對的不同狀態(tài)。根據(jù)文獻報道，在化學反應中外加磁場，可以影響系間躍遷，因此可以通過在化學反應中設計磁場而改變化學反應速率，實現(xiàn)對微觀化學反應趨向的影響和控制。本設計根據(jù)磁化學的基本原理，結合磁電理論，設計一種在化學反應中能產(chǎn)生磁響應的分散合成儀，并通過模型機，對儀器的參數(shù)進行調(diào)試和優(yōu)化。按照額定功率，能夠在氣隙為50mm時產(chǎn)生約2T的磁場強度，磁場強度能夠滿足大多數(shù)磁合成環(huán)境所需場強要求。
科學性、先進性
- 該磁懸浮分散合成儀的設計是以電磁鐵理論為基本原理，用軟磁鐵芯作為極柱、外側繞制線圈而構成，通過將交流電源整流為直流電后分別通入兩個線圈，即可在兩極柱間產(chǎn)生可通過電流大小來控制強度的磁場。在電磁性納米復合材料合成過程中，要克服的困難之一就是如何使密度較大且易團聚的鐵磁性粒子實現(xiàn)在溶液中的均勻分散。本設計發(fā)明的磁懸浮分散合成儀，通過調(diào)節(jié)電流來控制磁場強度，在磁場環(huán)境下進行化學反應和材料合成，或者在提供磁場的情況下對磁響應性化學產(chǎn)物進行提純和分離。將磁響應性粒子的分散和聚合在磁場環(huán)境中進行，以促使磁性粒子在溶液中充分分散，從而合成性能更優(yōu)越的磁性復合粒子；采用磁場分散反應，可以促使反應器中溶質(zhì)在溶液中的立體多方向混合和分散，從而能夠有效縮短反應時間。此外，該設計還能應用于其它設計磁場的應用領域，比如可以應用于材料學、生物學及磁分離領域等。
獲獎情況及鑒定結果
- 本作品已獲國家實用新型專利授權； 參加校級挑戰(zhàn)杯大學生課外學術科技作品大賽，獲得特等獎； 參加省級挑戰(zhàn)杯大學生課外學術科技作品大賽，獲得特等獎（證書尚未發(fā)放，后補）。
作品所處階段
- 通過第一代機器的試用，證實了設計原理的正確性。
技術轉讓方式
- 國家實用新型專利。
作品可展示的形式
- 模型機、圖紙和圖片
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 磁場一直是材料和應用化學領域的研究熱點，目前磁合成研究領域缺少一種科學準確，又有低代價、小型化、操作簡單的磁場儀器。本儀器設計原理科學，制造成本低廉，在材料合成領域具有很大的應用前景。
同類課題研究水平概述
- 磁性材料是功能材料的重要分支，利用磁性材料制成的磁性元器件具有轉換、傳遞、處理信息、存儲能量、節(jié)約能源等功能，廣泛地應用于能源、電信、自動控制、通訊、生物、探礦、軍工等領域。信息化發(fā)展的總趨勢是向小、輕、薄以及多功能、數(shù)字化、智能化方向發(fā)展，從而對磁性材料提出了更高的標準，要求磁性材料制造的元器件不僅大容量、小型化、高速度，而且具有可靠性、耐久性、抗振動和低成本的特點。 在磁性材料制備方面，如美國Mircea Chipara等人合成了聚吡咯/鐵復合材料，復旦大學合成聚苯胺包覆納米碳納米管復合材料、韓國 Kyungpook國際大學合成Fe3O4/聚苯胺磁性納米復合材料、浙江大學合成了苯胺基體包覆的Li–Ni–La磁性納米粒子、阿根廷的J.C. Aphesteguy合成了Ni–Gd聚合物鐵氧體磁性粒子NiFe1.95Gd0.05O4，等等，這些研究均發(fā)現(xiàn)所制備的磁性粒子體現(xiàn)出了優(yōu)良的超順磁性，但是缺點之一就是磁性顆粒在復合材料中的分散不均，容易團聚。有研究者發(fā)現(xiàn)了磁性材料合成時可以通過磁場來調(diào)節(jié)分布狀態(tài)。如法國的H. Ben等在外加釹鐵硼磁鐵條件下合成了磁性納米粒子/聚吡咯復合材料，發(fā)現(xiàn)磁性粒子在磁場作用下分散較好；南京大學陸延青等用磁鐵誘導下合成磁性鎳、鈷納米粒子陣列；我國中國科技大學王軍在0T、0.35 T磁場下水熱合成Fe3O4，發(fā)現(xiàn)其形貌從六方顆粒逐漸過渡到沿其易磁化軸方向生長的納米線。在磁場應用方面，處于世界領先領域的還是發(fā)達國家如美國、日本、英國等，我國中科院等離子物理研究所也成功建設了多臺水冷、超導和脈沖磁體，相應的強磁場在凝聚態(tài)物理、材料科學、化學和生物科學領域都已開始研究。但是由于專業(yè)強磁場構型復雜，操作不便，代價高昂，到目前為止，還沒有一臺適合于實驗室的進行化學反應或材料合成的磁場儀器。本磁懸浮分散合成儀具有造價低、體積小、操作簡便，還可通過電流和極柱間距隨時調(diào)節(jié)和控制磁場強度、磁場強度通過數(shù)控設備隨時顯示及機箱透視化設計等優(yōu)點，可以將“磁懸浮分散合成"這種有利于提高反應速率、改善材料性能和促使產(chǎn)物分離的合成方法應用到化學和材料學等領域。同時，該磁懸浮分散合成儀在生物磁學、廢水處理等磁學領域有著廣闊的應用前景。
