专利名称:熔融烧结法制备pvdf微颗粒探针的装置及方法
技术领域：
本发明属于原子力显微镜(AFM)探针制备领域，具体涉及一种熔融烧结法制备PVDF微颗粒探针的装置及方法。
背景技术：
膜分离技术在给水处理、污水深度处理等领域的应用迅速发展，成为解决水源水质污染和污水再利用等的重要技术手段。但是膜污染引起的膜通量及性能不可逆衰减问题依然是其推广应用的主要障碍。既往的研究大多是从宏观层面上分析膜污染，并没有从微观角度定量测定膜应用过程中膜/污染物、污染物/污染物间的相互作用力。而随着原子力显微镜(AFM)的出现及发展，其以在空气、真空、液态等不同环境下有效测定AFM探针与膜面之间的相互作用力的优点，迅速解决了上述问题，成为从微观角度解析膜污染的基本手段。但是，普通的AFM探针皆是由硅化物制备而成，使用其测定AFM探针与不同污染程度的分离膜之间的作用力，得到的是硅化物与膜及硅化物与污染物之间的作用力，因此并不能有效测定实际运行过程中膜/污染物、污染物/污染物间的相互作用力，因此微颗粒探针改性技术(在AFM探针微悬臂自由端粘附一成分已知的球形颗粒来测定微观力)被引入分离膜污染解析领域。
考虑到污水中主要污染物为腐植酸、多糖、蛋白质，所以既往的分离膜研究者主要是制备-C00H，-OH及牛血清蛋白(BSA)微颗粒探针取代传统探针，用来测定上述探针与不同污染程度的膜表面之间的相互作用力，虽然得到了一定的研究成果，但是，上述探针的价格昂贵、种类单一、制备方法复杂，而且容易变性、成品率低、对制备条件、保存条件及测试环境的要求非常严格、同时粘附剂的使用会污染所粘附微颗粒；此外，现有探针制备装置，例如，专利CN101643195A公开的双向三维移动平台法制备胶体探针所涉及的装置数量多、流程复杂、操作繁琐。基于此，本发明使用应用最广泛的高分子膜材料之——PVDF，通过熔融烧结法制备PVDF微颗粒探针，避免了粘附剂的使用，同时所得PVDF探针可吸附各种复杂的有机污染物，形成污染物探针；而且PVDF微颗粒价格便宜，不易变性。本发明所使用的探针制备装置简单、易于操作、成品率高、实用性强。所得探针可在多种环境条件下测定其与不同污染程度的膜之间的相互作用力，有效实现了膜/污染物及污染物/污染物之间相互作用力的定量测定，根据所得微观作用力，可对膜材料的选择、运行期膜性能恢复对策选择，适对调控运行程序策略等提供指导。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，其目的之一是提供一种AFM微颗粒探针制备装置，该装置简单快捷、易于操作、实用性强、成本低。
本发明的另一目的在于提供基于该AFM微颗粒探针制备装置的熔融烧结法制备PVDF微颗粒探针的方法。该方法流程简单，易于实现，实用性强，同时避免了粘附剂的使用对所粘附PVDF微颗粒的污染。[0006]本发明的目的是通过下述技术方案来实现的。
—种熔融烧结法制备PVDF微颗粒探针的装置，包括设置在基础台上的微操作器和显微镜，所述微操作器端头设置有“L型”探针夹，所述显微镜的镜头与“L型”探针夹相对设置。
进一步的，本发明所述装置中
所述“L型”探针夹由“L型”连接杆螺纹连接探针台组合而成，所述探针台端面设置有放置AFM无针尖探针的探针槽，所述探针槽上压有簧片；所述簧片的延伸端、探针台的末端设置有用以支起簧片的“ I型”铜柱。
所述“L型”探针夹由不锈钢材料制作。
相应地，本发明给出了利用上述装置进行熔融烧结法制备PVDF微颗粒探针的方 法，包括以下步骤
I)将长度为7-10 Cm、直径为2mm的招合金金属丝的一端浸溃于浓盐酸中12_24h,得到尖端为20-40 μ m的金属丝；然后将其置于超纯水中，超声清洗
5_15min ；
2)将AFM无针尖探针安装在设置于探针台上的探针槽内，将“L型”探针夹与微操作器相连，通过微操作器控制夹持有AFM无针尖探针的探针台的三维移动；
3)将PVDF颗粒分散于载玻片a表面；在显微镜下使用步骤I)的金属丝的尖端分散PVDF颗粒；
4)将非PVDF溶剂液滴移至载玻片b表面，然后将载玻片b置于显微镜视野中；
5)旋转探针台使得探针槽所在平面朝下，然后通过微操作器控制“L型”探针夹的三维移动，使得夹持在探针槽内的AFM无针尖探针微悬臂自由端粘上非PVDF溶剂；
6)将载玻片b从显微镜视野中移走，将步骤3)载有PVDF微颗粒的载玻片a移至光学显微镜视野中；
7)控制夹持有AFM无针尖探针的探针台的三维移动，将目的PVDF微颗粒吸附在AFM无针尖探针微悬臂自由端；
8)将载有PVDF微颗粒的AFM无针尖探针从探针台上取下，然后将其置于恒温烘箱中静置，得到PVDF微颗粒探针。
进一步的，本发明所述方法中
所述PVDF微颗粒是5-20 μ m的球形颗粒。
所述非PVDF溶剂包括但不限于去离子水、甘油、乙醇及上述几种溶剂的任意比例混合液。
所述恒温烘箱温度为112 145°C，PVDF微颗粒探针在烘箱中的静置时间是10_40mino
与现有的技术相比较，本发明的优点及有益效果为该发明所用装置简单快捷、易于操作、实用性强、成本低。该发明通过使用熔融烧结法制备PVDF微颗粒探针，避免了粘附剂的使用对微颗粒的污染，提升了微观力测定的准确性。该发明制备的PVDF探针与传统的用来解析膜污染机理的-C00H，-OH及BSA微颗粒探针相比较，不但价格低、来源广泛、对制备及测试环境无要求、不易变性，而且容易吸附各种污染物，实现了膜与污染物及污染物之间相互作用力的有效定量测定。
图1是AFM探针制备装置系统图；
图2是“L型”探针夹示意图；
图3是8 μ m的PVDF微颗粒探针显微镜下视图；
图4是5 μ m的PVDF微颗粒探针显微镜下视图；
图5是9 μ m的PVDF微颗粒探针显微镜下视图；
图6是10 μ m的PVDF微颗粒探针显微镜下视图；
图7是20 μ m的PVDF微颗粒探针显微镜下视图。
图中1、微操作器；2、“L型”探针夹；3、显微镜；4、连接杆；5、探针台；6、螺丝；7、簧片；8、探针槽；9、“ I型”铜柱。
具体实施方式
以下结合具体实例对本发明进行进一步的说明，但是所述实例并不构成对本发明的限制。
本发明的装置见图1所示，包括设置在基础台上的微操作器I和显微镜3，微操作器I端头设置有“L型”探针夹2，显微镜3的镜头与“L型”探针夹2相对设置。
如图2所示，“L型”探针夹2由“L型”连接杆4螺纹连接探针台5组合而成，探针台5端面设置有放置AFM无针尖探针的探针槽8，探针槽8的上端设置有通过螺丝6固定的簧片7 ;簧片7的延伸端、探针台5的末端设置有用以支起簧片7的“ I型”铜柱9。该“L型”探针夹2采用不锈钢材料制作。
本发明的方法通过下述实施例做详细说明。
实施例1
I)将长度为10 Cm、直径为2mm的铝合金金属丝的一端浸溃于浓盐酸中24h，得到尖端为21 μ m的金属丝；然后将其置于超纯水中，超声清洗15min ；
2)松开螺丝6，将置于探针槽8上方的簧片7沿90°移转，将商业购买的AFM无针尖探针安装在探针槽8内，将簧片7沿-90 °移转压至安放于探针槽8内的AFM无针尖探针上，然后拧紧固定簧片7的螺丝6 ;最后用微操作器I上的固定螺丝将连接杆4的A端与微操作器I相连，通过微操作I控制AFM无针尖探针的三维移动；
3)采用1000目筛网将PVDF颗粒分散于载玻片a表面；在光学显微镜3下使用步骤I)所得的金属丝尖端分散PVDF颗粒，以防大量颗粒堆积在载玻片a的表面；
4)使用5 μ L移液枪将甘油液滴移至载玻片b表面，然后将载玻片b置于显微镜3视野中；
5)以连接杆4的B端为轴，旋转探针台5，使得探针槽8所在的平面朝下；然后通过微操作器I控制“L型”探针夹2的三维移动，即AFM无针尖探针的上下、左右、前后移动，从而来调节AFM无针尖探针微悬臂自由端与甘油的相对位置，调好后通过微操作器I控制AFM无针尖探针微悬臂的上下移动，使得AFM无针尖探针悬臂自由端粘沾上甘油；
6)将载玻片b从显微镜3视野中移走，将步骤3)所得载有PVDF微颗粒的载玻片a移至光学显微镜视野中；[0045]7 )在载有PVDF微颗粒的载玻片a表面找到8 μ m的目的PVDF微颗粒，通过微操作器I控制“L型”探针夹2的三维移动来调节夹持有AFM无针尖探针微悬臂自由端与PVDF微颗粒的相对位置，然后采用微操作器I控制探针台5的上下移动，通过AFM无针尖探针微悬臂自由端的甘油与目的PVDF微颗粒之间的毛细作用力将目的PVDF粒子吸附在微悬臂自
由端；
8)用“ I型”铜柱9顶起簧片7，松开固定簧片的螺丝6，用镊子取下所得PVDF微颗粒探针，然后将其置于145°的恒温烘箱中静置lOmin，得到PVDF微颗粒探针，制备结束。
所得PVDF微颗粒探针如图3所示。
实施例2-实施例5
实施例2-实施例5制备步骤及设备工艺流程同实施例1，具体制备条件如下表
参数实施例2 实施例3实施例4 实施例5
I腿鎌 HCL~~^
中的浸渍时间/h_______
金属丝尖端直径/Pm27384023
金属丝超声清冼时间/min1210515
非PVDF溶剂淋积比1:1的f油与乙醇*1:1的P与
______τΚ_
PVDF 粒径/μ m591020
烘箱温度/°C130125112145
静置时间/min20103040
所得探针图片_ 图4 I 图5 I 图6 I R 7
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域：
的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种熔融烧结法制备PVDF微颗粒探针的装置，其特征在于，包括设置在基础台上的微操作器(I)和显微镜(3)，所述微操作器(I)端头设置有“L型”探针夹(2)，所述显微镜(3)的镜头与“L型”探针夹(2)相对设置。
2.根据权利要求
1所述的熔融烧结法制备PVDF微颗粒探针的装置，其特征在于，所述“L型”探针夹(2)由“L型”连接杆(4)螺纹连接探针台(5)组合而成，所述探针台(5)端面设置有放置AFM无针尖探针的探针槽(8 )，所述探针槽(8 )上压有簧片(7 );所述簧片(7 )的延伸端、探针台(5)的末端设置有用以支起簧片(7)的“ I型”铜柱(9)。
3.根据权利要求
1所述的熔融烧结法制备PVDF微颗粒探针的装置，其特征在于，所述“L型”探针夹(2)由不锈钢材料制作。
4.一种基于权利要求
1所述装置的熔融烧结法制备PVDF微颗粒探针的方法，其特征在于，包括以下步骤 1)将长度为7-10Cm、直径为2mm的铝合金金属丝的一端浸溃于浓盐酸中12_24h，得到尖端为20-40 μ m的金属丝；然后将其置于超纯水中，超声清洗5-15min ； 2)将AFM无针尖探针安装在设置于探针台(5)上的探针槽(8)内，将“L型”探针夹(2)与微操作器(I)相连，通过微操作器(I)控制夹持有AFM无针尖探针的探针台(5 )的三维移动； 3)将PVDF颗粒分散于载玻片a表面；在显微镜(3)下使用步骤I)所得金属丝的尖端分散PVDF颗粒； 4)将非PVDF溶剂液滴移至载玻片b表面，然后将载玻片b置于显微镜(3)视野中； 5)旋转探针台(5)使得探针槽(8)所在平面朝下，然后通过微操作器(I)控制“L型”探针夹(2)的三维移动，使得夹持在探针槽(8)内的AFM无针尖探针微悬臂自由端粘上非PVDF溶剂； 6)将载玻片b从显微镜(3)视野中移走，将步骤3)载有PVDF微颗粒的载玻片a移至光学显微镜视野中； 7)控制夹持有AFM无针尖探针的探针台(5)的三维移动，将目的PVDF微颗粒吸附在AFM无针尖探针微悬臂自由端； 8)将载有PVDF微颗粒的AFM无针尖探针从探针台(5)上取下，然后将其置于恒温烘箱中静置，得到PVDF微颗粒探针。
5.根据权利要求
4所述的一种熔融烧结法制备PVDF微颗粒探针的方法，其特征在于，所述PVDF微颗粒是5-20 μ m的球形颗粒。
6.根据权利要求
4所述的一种熔融烧结法制备PVDF微颗粒探针的方法，其特征在于，所述非PVDF溶剂包括但不限于去离子水、甘油、乙醇及上述几种溶剂的任意比例混合液。
7.根据权利要求
4所述的一种熔融烧结法制备PVDF微颗粒探针的方法，其特征在于，所述恒温烘箱温度为112 145°C，PVDF微颗粒探针在烘箱中的静置时间是10_40min。
专利摘要
本发明公开了一种熔融烧结法制备PVDF微颗粒探针的装置及方法，装置包括设置在基础台上的微操作器和显微镜，微操作器端头设置有“L型”探针夹，显微镜的镜头与“L型”探针夹相对设置。方法包括1)制备尖端为微米级的铝合金金属丝；2)分散PVDF微颗粒；3)先后在安装于“L型”探针夹上的AFM无针尖探针微悬臂自由端粘附非PVDF溶剂及PVDF微颗粒，4)将步骤3)所得粘附有PVDF微颗粒的探针置于恒温烘箱中烘制一定时间，得到PVDF微颗粒探针。本发明装置及方法简单易行，实用性强，所得PVDF微颗粒探针造价低、来源广、未引入粘附剂污染、易吸附多种有机污染物，可广泛应用于膜污染解析中。
文档编号G01Q60/38GKCN103018493SQ201210476390
公开日2013年4月3日 申请日期2012年11月21日
发明者苗瑞, 王磊, 吕永涛, 王旭东, 黄丹曦, 孟小荣, 鞠恺, 冯玲, 刘紫文 申请人:西安建筑科技大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan