專利名稱：用于生成特定晶核或晶體的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在與溶液接觸的電介質(zhì)表面上，特別是在聚合物官能基團(tuán)上生成特定晶核或晶體的設(shè)備。
本發(fā)明還涉及一種控制在電介質(zhì)表面上、特別是聚合物官能基團(tuán)上從溶液中晶核生成或晶體取向生長的方法。
已經(jīng)知道，在電介質(zhì)表面會(huì)形成晶核或會(huì)進(jìn)行礦物相的取向生長，其中表面的化學(xué)性質(zhì)、形態(tài)性質(zhì)和立體化學(xué)性質(zhì)會(huì)影響這一生長。例如，在自然界中，這樣的晶核生成發(fā)生在生物聚合物引發(fā)和控制殼體、骨賂、牙齒等的生長的場合。這一生物礦化作用例如在以下文獻(xiàn)中描述由Stephen Mann在“自然”雜志卷332，10.3，1988第119頁發(fā)表的文章“在生物礦化中的分子鑒別”；或見于由S.Mann.J.Webb和R.J.P.Williams發(fā)表的書“生物礦化”，CH出版社，1989，第35頁往后。
技術(shù)應(yīng)用至今仍限于某些特定生產(chǎn)的大分子，這些大分子有某些表面官能基團(tuán)，能控制沉積和絮凝反應(yīng)(如表面活性劑、磷酸酯)；為此，這些化合物大部分必須直接與溶液混合，但是，只有通過對加入的數(shù)量的控制或加入某些能引起聚合物中某種電荷改變符號(hào)的化學(xué)品，才有可能控制反應(yīng)。
本發(fā)明的目的是提供引言中描述的這類設(shè)備和方法，用這一設(shè)備和方法，有一定形狀、大小、結(jié)構(gòu)和取向的晶核或晶體可按特定的和可控的方式生長。
根據(jù)本發(fā)明，這一目的可在引言中描述的、通過在電介質(zhì)中產(chǎn)生電場的這類設(shè)備中達(dá)到。
用電場可在電介質(zhì)中產(chǎn)生極化或增強(qiáng)已存在的極化。特別是，也可得到背向電介質(zhì)的接觸表面而指向溶液的官能基取向(官能基例如是合成CaCO3、CaPO4用的羧酸根、羰基或氨基)。因此，形成所謂的雙電層。通常，只有當(dāng)在溶液中達(dá)到臨界過飽和時(shí)，才能均勻生成晶核。這樣的臨界過飽和可在電介質(zhì)雙電層中局部地方得到，因?yàn)橥ㄟ^向產(chǎn)生電場的電極上的施加電勢，就產(chǎn)生了電場，電場使雙電層中溶液中的離子濃度比例變化。
例如，就負(fù)電荷電極來說，Ca2+和CO32-濃度比例在雙電層中可發(fā)生有利于Ca2+的變化。[Ca2+]x[CO32-]之積有某一飽和值(由熱力學(xué)平衡決定，與PH值和溫度無關(guān))，當(dāng)同時(shí)考慮到Ca2+和CO32-與不同數(shù)目的水分子鍵聯(lián)，并因此被不同程度地保護(hù)(溶劑化)時(shí)，該乘積在雙電層的某些區(qū)域中明顯超過這一數(shù)值——得到局部過飽和，從而可引發(fā)晶核的均勻生成。
而且，有可能通過電場來控制溶解的離子在官能基團(tuán)附近的特定的積累以及官能基團(tuán)在晶核生成反應(yīng)中特定的卷入。因此這就使晶核的生成或晶體的生長可受電場的影響。例如，不同的大分子化合物通過某些官能基團(tuán)的存在(如羧酸根(-COO-)、羰基、磺酸根(-SO3-)、硫酸根(-OSO3-)、季銨基(-NR3+，R為H或有機(jī)基團(tuán))、各種酯基等)，影響從礦物相中在表面上生成晶核。這些官能基團(tuán)可以不同的途徑有助于生成晶核——靜電積累(局部過飽和——均勻生成晶核)——官能基團(tuán)的配體從溶液生成陽離子(金屬離子)和生成晶核的活化能降低(不均勻生成晶核)——根據(jù)預(yù)先確定的在官能基團(tuán)上的結(jié)晶學(xué)結(jié)構(gòu)，官能基團(tuán)與某些晶體結(jié)構(gòu)、晶核/晶體生長的結(jié)構(gòu)和立體化學(xué)對應(yīng)性的存在(不均勻生成晶核)——上述作用的組合。
根據(jù)本發(fā)明，借助施加的電場，這樣的官能基團(tuán)的活性、取向和在表面上的位置可受特定的影響。
通過聚合物鏈長的特定選擇，官能基團(tuán)本身可按彼此間隔某一距離的方式排布；在這一方式中，可提供一立體比表面結(jié)構(gòu)，以使某一尺寸、結(jié)構(gòu)和結(jié)晶學(xué)取向的晶核/晶體生長成為可能(可用另外的不同取向的電場或塑料的膨脹、壓縮等機(jī)械應(yīng)力來微調(diào)這一距離)。
原則上，連續(xù)電場、交變電場或它們的疊加電場都適合用作為電場，當(dāng)數(shù)量和/或方向和/或頻率(用交變電場時(shí))是可控的時(shí)，它是特別優(yōu)選的。用這一方法，晶核或晶體的生長過程可受特別的影響。典型的優(yōu)選電場強(qiáng)度通常為0v/m至107v/m。
本發(fā)明另外一些優(yōu)點(diǎn)和詳細(xì)內(nèi)容將參考以下


來解釋。
圖1圖示說明一個(gè)本發(fā)明有平面電介質(zhì)的設(shè)備的實(shí)施方案。圖2說明可用于圖1的帶孔的電極。圖3說明另一實(shí)施方案，其中電介質(zhì)被提供在用于生成晶核或晶體的活性表面兩側(cè)。圖4說明圓柱形表面的實(shí)施方案。圖5說明沿圖4A-A線的切面圖。圖6也說明圓柱形實(shí)施方案，但是其中，暴露于電場的電介質(zhì)活性表面面向由此形成的管的內(nèi)表面。圖7說明一種漁柵型的實(shí)施方案。
圖1所示的設(shè)備有電介質(zhì)1，如聚酰胺。兩個(gè)電極2、3鑄入電介質(zhì)1中，由電源4給該二個(gè)電極提供直流電壓。電極3成形為帶孔的電極，如圖2所示。因此，有電場穿過帶孔的電極3上的孔，它使電介質(zhì)的活性表面1a極化。電介質(zhì)的活性表面1a暴露到溶液4中，晶核或晶體從溶液4中生長在表面上。就圖1、2所示的本發(fā)明設(shè)備的實(shí)施方案來說，例如從鈣的過飽和水溶液4中，在聚酰胺表面上可得更高的鈣沉積速率。
聚酰胺通常形成有重復(fù)的羧酸酰胺基的未分支的鏈 分子量為15000～50000。聚酰胺是最主要的熱塑性材料。
尼龍6用作電介質(zhì)。在電極3中的孔是圓形的，其直徑為5mm。相應(yīng)的聚酰胺層為1mm厚。
通過施加0～1000V的電勢差，在電介質(zhì)表面上，在電場中的最大垂直向量可在0至約2×105v/m(線性)之間變化。
通過在PH值10下，使CaCl2和Na2CO3/NaHCO3水溶液混合，可在較寬的范圍內(nèi)得到過飽和溶液。
在一測試性能的實(shí)驗(yàn)中，使用兩個(gè)相同結(jié)構(gòu)的設(shè)備。一個(gè)設(shè)備在不施加電勢差的情況下操作(參考)。另一個(gè)設(shè)備是實(shí)際設(shè)備，按本發(fā)明在電場下操作。
在每一測量以前，在5％鹽酸浴槽中除去設(shè)備上存在的鈣層，然后用雙蒸水清洗設(shè)備，在干燥器中干燥，用分析天平測定干重。
將這些設(shè)備浸沒在過飽和溶液中，給其中一個(gè)設(shè)備施加適當(dāng)?shù)碾妱莶?。一定時(shí)間后，從溶液中取出設(shè)備，在干燥器中干燥，然后用分析天平測定干重。得到的干重減去原有干重，得到的重量差表示沉積的鈣量。
在不同的試驗(yàn)中表明，在相同的時(shí)間內(nèi)，有電場的設(shè)備比沒有電場的設(shè)備沉積更多的鈣，這也與施加的電場強(qiáng)度有關(guān)。
這些結(jié)果表明，特定的極化表面適合于加速鈣晶核的生成。
聚合物、水晶玻璃、陶瓷、金屬氧化物或玻璃特別適合作電介質(zhì)。聚合物是特別優(yōu)選的，因?yàn)橥ㄟ^選擇適合的單體，用簡單的方式使得官能基團(tuán)結(jié)構(gòu)作為生成晶核的實(shí)際中心。
對于固結(jié)的電介質(zhì)來說，電極可鑄在所述的電介質(zhì)中，如圖1所示。但是，也可能至少部分蒸汽沉積在電極上作為導(dǎo)電層，或使用導(dǎo)電性噴漆或汞齊層。原則上，電解質(zhì)也可考慮，可作為電極。
產(chǎn)生電場的電介質(zhì)和/或電極可用平面取向生長(rep-技術(shù)、屏蔽技術(shù)、電子束平印術(shù))生產(chǎn)。用這一方法，可在表面上形成細(xì)微結(jié)構(gòu)，從而相應(yīng)地影響晶體或晶核的生長。除了根據(jù)本發(fā)明改變電場外，用膨脹或壓縮電介質(zhì)進(jìn)行細(xì)微調(diào)整也是可能的。這一點(diǎn)可通過施加適當(dāng)?shù)牧蛏郎鼗蚪禍貋碜龅健?br> 通常，限制晶體或晶核的生長也是有意義的。所以，本發(fā)明優(yōu)先提供除去在電介質(zhì)表面形成的晶核或晶體的各種方法。這些方法可單獨(dú)使用或組合使用。一種可能性是，用控制設(shè)備切斷電場或使其極性反向。用超聲源也可除去晶體或晶核。最后，也可使溶液4運(yùn)動(dòng)，也就是說，產(chǎn)生液流，由于沿表面產(chǎn)生剪切力，足夠大的晶體被液流帶走。
除了圖1和2所示的實(shí)施方案和已描述的變化方案外，另外一些變通方案也是可以考慮的和可能的。例如，圖3說明一個(gè)變通方案，其中帶孔的電極3安裝在中央電極的兩側(cè)，電場通過這些地方產(chǎn)生穿透。因此圖3所示的設(shè)備有兩個(gè)活性平面。借助控制設(shè)備5，可以調(diào)節(jié)施加的電勢的大小以及電場強(qiáng)度。施加不同的電壓到帶孔電極的上部和下部也是可能的。
圖4所示的實(shí)施方案涉及一種有圓柱形外表面的設(shè)備。帶孔的電極按圓柱形彎曲，并安裝在中心電極2的周圍。圖5表示了相應(yīng)的切面圖。
圖6說明整個(gè)設(shè)備或管形的實(shí)施方案。電介質(zhì)中的圓柱形外電極2圍繞圓柱形內(nèi)電極3，電極3也埋在電介質(zhì)中。這一內(nèi)電極3做成帶孔的電極，以致電場可達(dá)到電介質(zhì)圓柱形內(nèi)表面。
圖7說明漁柵型電極的實(shí)施方案。
除了通過對優(yōu)選的金屬電極施加電勢來產(chǎn)生電場外，還可能用另外的方式產(chǎn)生電場，例如熱電效應(yīng)或壓電效應(yīng)也適合用來產(chǎn)生電場。另一優(yōu)選的實(shí)施方案示于圖8。其中所謂的永久極化的電介質(zhì)6(它們是有高的永久電偶極矩的電介質(zhì))用來產(chǎn)生電場。許多鐵電材料都可認(rèn)為是永久極化的電介質(zhì)。例如，鈦酸鋇制成的陶瓷材料可在電場中通過從超過其居里點(diǎn)的溫度冷卻來極化。一些在強(qiáng)電場中熔化的樹脂、蠟、聚氨酯、聚乙烯和碳氟化物在固結(jié)后，當(dāng)電場消失時(shí)仍保留產(chǎn)生的偶極取向。
在每種情況下，都用聚合物層1保護(hù)永久極化的電介質(zhì)6不通過液體放電。這一聚合物層同時(shí)構(gòu)成暴露于溶液中的電介質(zhì)，也優(yōu)選是活性官能基團(tuán)的載體，它作為晶核形成或晶化的中心。
有垂直于電介質(zhì)表面的電場向量的電場是特別優(yōu)選的。
本發(fā)明還涉及一種控制在電介質(zhì)表面上晶核從溶液中形成或晶體取向生長的方法。就本發(fā)明的方法來說，將可調(diào)節(jié)的電場施加在電介質(zhì)表面區(qū)域。用這種方法，未極化的分子在電場中可極化，或者已極化的分子在電場中可取向。特別是，有可能用受控的和特定的方式，使電介質(zhì)表面上的官能基團(tuán)背向所述的表面而朝向溶液取向，從而影響有關(guān)晶核形成或晶化的活性。
本發(fā)明提供了許多技術(shù)應(yīng)用前景，下文給出其中幾個(gè)應(yīng)用——通過晶核的沉積和絮凝反應(yīng)，來控制晶核(晶種)的形成，特別是物理的水處理(通過晶核的濃度、形狀、結(jié)構(gòu)和大小來控制)，——有特定形狀、大小、結(jié)構(gòu)和結(jié)晶學(xué)取向的晶體/晶核生長，——晶核形成作用的反向——通過適當(dāng)調(diào)節(jié)雙電層，可生成不從溶液中形成沉積物的表面——特殊工業(yè)應(yīng)用中的特殊管子(工業(yè)廢水、污水管線)。
權(quán)利要求
1.一種設(shè)備用于在與溶液接觸的電介質(zhì)表面上、特別是在聚合物官能基團(tuán)上、特定地形成晶核或晶體，其特征在于，它包括一種在電介質(zhì)(1)中產(chǎn)生電場的設(shè)備。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其特征在于，用產(chǎn)生電場的設(shè)備產(chǎn)生的電場可用控制裝置(5)調(diào)節(jié)，其中電場在電介質(zhì)(1)表面區(qū)域上的大小可有利地在0～107v/m范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的設(shè)備，其特征在于，電場為連續(xù)電場，其中電場的大小和/或方向有利地可控。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2的設(shè)備，其特征在于，電場是交變電場，其中電場的大小和/或方向有利地可控。
5.根據(jù)權(quán)利要求1～4中一項(xiàng)的設(shè)備，其特征在于，聚合物、水晶玻璃、陶瓷、金屬氧化物或玻璃可用作電介質(zhì)(1)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1～5中一項(xiàng)的設(shè)備，其特征在于，電介質(zhì)基礎(chǔ)材料(1)至少在其表面有官能基團(tuán)，例如羧酸根、羰基或氨基。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的設(shè)備，其特征在于，官能基團(tuán)通過選擇適合的單體而嵌埋在聚合物基質(zhì)中。
8.根據(jù)權(quán)利要求1～7中一項(xiàng)的設(shè)備，其特征在于，電介質(zhì)(1)表面是彎曲的，優(yōu)選按圓柱形彎曲。
9.根據(jù)權(quán)利要求1～8中一項(xiàng)的設(shè)備，其特征在于，電介質(zhì)(1)的表面構(gòu)成管的內(nèi)表面。
10.根據(jù)權(quán)利要求1～7中一項(xiàng)的設(shè)備，其特征在于，電介質(zhì)(1)的表面基本上是平面。
11.根據(jù)權(quán)利要求1～7中一項(xiàng)的設(shè)備，其特征在于，電介質(zhì)(1)的表面做成類似漁柵形狀。
12.根據(jù)權(quán)利要求1～7中一項(xiàng)的設(shè)備，其特征在于，用于產(chǎn)生電場的設(shè)備裝有至少兩個(gè)有不同電勢的導(dǎo)電極(2，3)，電介質(zhì)(1)中的電場有面向溶液的表面。
13.根據(jù)權(quán)利要求8的設(shè)備，其特征在于，至少一個(gè)電極(2，3)裝在電介質(zhì)內(nèi)部。
14.根據(jù)權(quán)利要求9的設(shè)備，其特征在于，一個(gè)電極為帶孔的電極(3)，其中電場穿過帶孔電極的孔，并將電介質(zhì)(1)的表面包括在內(nèi)。
15.根據(jù)權(quán)利要求10的設(shè)備，其特征在于，在電介質(zhì)(1)中基本上為平面的帶孔電極(3)裝在中心的、基本上是平面的電極(2)的兩側(cè)。
16.根據(jù)權(quán)利要求8～10中一項(xiàng)的設(shè)備，其特征在于，電極(3)至少部分按圓柱形彎曲。
17.根據(jù)權(quán)利要求12～16中一項(xiàng)的設(shè)備，其特征在于，金屬電極、金屬網(wǎng)、金屬箔、導(dǎo)電塑料和/或石墨用作電極(2，3)。
18.根據(jù)權(quán)利要求12～17中一項(xiàng)的設(shè)備，其特征在于，電極(2，3)至少部分鑄入固結(jié)的電介質(zhì)中。
19.根據(jù)權(quán)利要求12～18中一項(xiàng)的設(shè)備，其特征在于，電極是作為導(dǎo)電層至少部分汽相沉積的或作為導(dǎo)電漆涂敷的或汞齊層。
20.根據(jù)權(quán)利要求12～19中一項(xiàng)的設(shè)備，其特征在于，電極至少部分為電解質(zhì)。
21.根據(jù)權(quán)利要求1～11中一項(xiàng)的設(shè)備，其特征在于，由至少一個(gè)永久極化的電介質(zhì)(6)形成電場。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的設(shè)備，其特征在于，永久極化的電介質(zhì)(6)被一層支撐優(yōu)選活性官能基團(tuán)的層，特別是聚合物層(1)圍繞。
23.根據(jù)權(quán)利要求1～7中的一項(xiàng)的設(shè)備，其特征在于，由熱電效應(yīng)或壓電效應(yīng)產(chǎn)生電場。
24.根據(jù)權(quán)利要求1～23中一項(xiàng)的設(shè)備，其特征在于，用平面取向生長的方法，產(chǎn)生電介質(zhì)和/或產(chǎn)生電場的電極。
25.根據(jù)權(quán)利要求1～24中一項(xiàng)的設(shè)備，其特征在于，施加于溶液的電勢與產(chǎn)生電場的電極電勢相比較高、較低或相等。
26.根據(jù)權(quán)利要求1～25中一項(xiàng)的設(shè)備，其特征在于，它包括使電介質(zhì)膨脹或壓縮的裝置。
27.根據(jù)權(quán)利要求1～26中一項(xiàng)的設(shè)備，其特征在于，它包括除去電介質(zhì)上形成的晶核或晶體的裝置。
28.根據(jù)權(quán)利要求27的設(shè)備，其特征在于，這些裝置包括用于切斷電場或改變電場電極極性的控制裝置。
29.根據(jù)權(quán)利要求27的設(shè)備，其特征在于，這些裝置包括超聲源。
30.根據(jù)權(quán)利要求27的設(shè)備，其特征在于，這些裝置使溶液沿電介質(zhì)表面流動(dòng)。
31.根據(jù)權(quán)利要求1～30中一項(xiàng)的設(shè)備，其特征在于，電場有垂直于與溶液接觸的電介質(zhì)表面的電場向量。
32.一種控制在電介質(zhì)表面上，特別是在聚合物的官能基團(tuán)上、從溶液中形成晶核和晶體取向生長的方法，其特征在于，將可調(diào)節(jié)的電場施加到電介質(zhì)上，至少其表面區(qū)域上。
33.根據(jù)權(quán)利要求32的方法，其特征在于，當(dāng)沒有電場時(shí)，電介質(zhì)有未極化的分子，在電場中這些分子可被極化。
34.根據(jù)權(quán)利要求32的方法，其特征在于，當(dāng)沒有電場時(shí)，電介質(zhì)有在電場中取向的極化分子。
35.根據(jù)權(quán)利要求32～34中一項(xiàng)的方法，其特征在于，電介質(zhì)表面上的官能基團(tuán)背離表面而指向溶液取向。
36.制造權(quán)利要求32～35中一項(xiàng)的設(shè)備的方法，其特征在于，在制造過程中，將電場施加到硬化或固化過程中的電介質(zhì)上。
37.根據(jù)權(quán)利要求36的方法，其特征在于，可將導(dǎo)電的電極在制造中嵌埋在電介質(zhì)中，優(yōu)選鑄在其中。
38.根據(jù)權(quán)利要求36或37的方法，其特征在于，在制造過程中，用每一電極施加電場，借此在隨后的操作中可在電介質(zhì)中產(chǎn)生電場。
全文摘要
一種設(shè)備，用于在與一種溶液接觸的電介質(zhì)表面上、特別是在聚合物的官能基團(tuán)上受控地生成晶核或晶體，其中包括了一種在電介質(zhì)中產(chǎn)生電場的裝置。
文檔編號(hào)C02F1/48GK1147237SQ95192880
公開日1997年4月9日 申請日期1995年4月4日 優(yōu)先權(quán)日1994年4月5日
發(fā)明者K·雷特, G·沃德勒 申請人:邁特隆非化學(xué)水處理股份有限公司