基本信息
- 项目名称：
- 磁悬浮分散合成仪的设计与应用研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本设计是基于电磁铁理论的基本原理，设计一种能适用于化学合成和材料学等领域的起磁悬浮和分散作用的合成仪器。具体设计是用软磁铁芯作为极柱、外侧绕制线圈而构成，通过将常用交流电源整流为直流电后分别通入两个线圈而产生磁场，仪器所产生的磁场强度可以通过极柱间距和电流随时调节。
- 详细介绍：
- 该磁悬浮分散合成仪的设计是以电磁铁理论为基本原理，用软磁铁芯作为极柱、外侧绕制线圈而构成，通过将常用的交流电转换和整流为直流电后分别通入两个线圈，即可在两极柱间产生磁场，其磁场强度可通过电流和极柱间距来控制。该仪器主要用于磁相应性粒子的分散和聚合反应，也可以用于材料合成、化学产物提纯及废水的磁分离过程。本设计可以克服化学反应中很多缺陷，比如在有机物/磁性复合材料制备过程中，磁性粒子因其密度较有机聚合物大，从而容易沉淀于容器底部而造成浓度差。而将磁性粒子在磁场环境下悬浮于溶液中，就可以得以充分分散，从而合成性能更优越的复合粒子。采用磁场将溶质分散于溶液中进行反应，可以促使反应器中溶质在不同方向的扩散和混合，从而能够有效缩短反应时间；同时，利用置于反应容器支架内的高斯计探头，可以随时读出磁场强度，以便根据需求调节和控制磁场强度。本仪器基于电磁原理设计，科学准确，操作安全方便，制造成本低，在化学、材料学和生物学等领域有广泛的应用前景。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 电磁材料及含铁磁性粒子的复合材料因其独特的电磁性能，一直是材料制备领域的研究热点。磁相应性物质除过渡金属单质及其化合物外，根据文献报道，很多有机聚合物如聚吡咯、聚苯胺等都会因在磁场中合成而体现出优越的性能，但因电磁性粒子本身密度差异较大、易团聚等特点而影响其合成和更广泛的应用。本设计旨在发明一种能起到磁悬浮分散的合成仪器，可以根据需要，通过调节电流和磁极间距来控制磁场强度，在磁场环境下进行化学反应和材料合成。一方面，利用磁场的特殊空间作用力，使电磁性粒子通过洛仑兹力的作用而达到均匀和有序分布，从而使电磁性材料在合成过程中达到磁性粒子的均匀有序分散，并且可以根据要求设定磁场方向，达到制备的磁性材料内的纳米粒子按照要求排列，从而改变材料的电磁性能或力学性能；另一方面，根据经典的自由基理论，当自由基对在化学反应中产生之后，它们的自旋状态就会以一定形式在空间取向，构成了自由基对的不同状态。根据文献报道，在化学反应中外加磁场，可以影响系间跃迁，因此可以通过在化学反应中设计磁场而改变化学反应速率，实现对微观化学反应趋向的影响和控制。本设计根据磁化学的基本原理，结合磁电理论，设计一种在化学反应中能产生磁响应的分散合成仪，并通过模型机，对仪器的参数进行调试和优化。按照额定功率，能够在气隙为50mm时产生约2T的磁场强度，磁场强度能够满足大多数磁合成环境所需场强要求。
科学性、先进性
- 该磁悬浮分散合成仪的设计是以电磁铁理论为基本原理，用软磁铁芯作为极柱、外侧绕制线圈而构成，通过将交流电源整流为直流电后分别通入两个线圈，即可在两极柱间产生可通过电流大小来控制强度的磁场。在电磁性纳米复合材料合成过程中，要克服的困难之一就是如何使密度较大且易团聚的铁磁性粒子实现在溶液中的均匀分散。本设计发明的磁悬浮分散合成仪，通过调节电流来控制磁场强度，在磁场环境下进行化学反应和材料合成，或者在提供磁场的情况下对磁响应性化学产物进行提纯和分离。将磁响应性粒子的分散和聚合在磁场环境中进行，以促使磁性粒子在溶液中充分分散，从而合成性能更优越的磁性复合粒子；采用磁场分散反应，可以促使反应器中溶质在溶液中的立体多方向混合和分散，从而能够有效缩短反应时间。此外，该设计还能应用于其它设计磁场的应用领域，比如可以应用于材料学、生物学及磁分离领域等。
获奖情况及鉴定结果
- 本作品已获国家实用新型专利授权； 参加校级挑战杯大学生课外学术科技作品大赛，获得特等奖； 参加省级挑战杯大学生课外学术科技作品大赛，获得特等奖（证书尚未发放，后补）。
作品所处阶段
- 通过第一代机器的试用，证实了设计原理的正确性。
技术转让方式
- 国家实用新型专利。
作品可展示的形式
- 模型机、图纸和图片
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 磁场一直是材料和应用化学领域的研究热点，目前磁合成研究领域缺少一种科学准确，又有低代价、小型化、操作简单的磁场仪器。本仪器设计原理科学，制造成本低廉，在材料合成领域具有很大的应用前景。
同类课题研究水平概述
- 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转换、传递、处理信息、存储能量、节约能源等功能，广泛地应用于能源、电信、自动控制、通讯、生物、探矿、军工等领域。信息化发展的总趋势是向小、轻、薄以及多功能、数字化、智能化方向发展，从而对磁性材料提出了更高的标准，要求磁性材料制造的元器件不仅大容量、小型化、高速度，而且具有可靠性、耐久性、抗振动和低成本的特点。 在磁性材料制备方面，如美国Mircea Chipara等人合成了聚吡咯/铁复合材料，复旦大学合成聚苯胺包覆纳米碳纳米管复合材料、韩国 Kyungpook国际大学合成Fe3O4/聚苯胺磁性纳米复合材料、浙江大学合成了苯胺基体包覆的Li–Ni–La磁性纳米粒子、阿根廷的J.C. Aphesteguy合成了Ni–Gd聚合物铁氧体磁性粒子NiFe1.95Gd0.05O4，等等，这些研究均发现所制备的磁性粒子体现出了优良的超顺磁性，但是缺点之一就是磁性颗粒在复合材料中的分散不均，容易团聚。有研究者发现了磁性材料合成时可以通过磁场来调节分布状态。如法国的H. Ben等在外加钕铁硼磁铁条件下合成了磁性纳米粒子/聚吡咯复合材料，发现磁性粒子在磁场作用下分散较好；南京大学陆延青等用磁铁诱导下合成磁性镍、钴纳米粒子阵列；我国中国科技大学王军在0T、0.35 T磁场下水热合成Fe3O4，发现其形貌从六方颗粒逐渐过渡到沿其易磁化轴方向生长的纳米线。在磁场应用方面，处于世界领先领域的还是发达国家如美国、日本、英国等，我国中科院等离子物理研究所也成功建设了多台水冷、超导和脉冲磁体，相应的强磁场在凝聚态物理、材料科学、化学和生物科学领域都已开始研究。但是由于专业强磁场构型复杂，操作不便，代价高昂，到目前为止，还没有一台适合于实验室的进行化学反应或材料合成的磁场仪器。本磁悬浮分散合成仪具有造价低、体积小、操作简便，还可通过电流和极柱间距随时调节和控制磁场强度、磁场强度通过数控设备随时显示及机箱透视化设计等优点，可以将“磁悬浮分散合成"这种有利于提高反应速率、改善材料性能和促使产物分离的合成方法应用到化学和材料学等领域。同时，该磁悬浮分散合成仪在生物磁学、废水处理等磁学领域有着广阔的应用前景。
