способ и устройство для получения дискретных агломератов дисперсного вещества

Формула изобретения

1. Способ получения дискретных агломератов дисперсного вещества с некоторым количеством жидкости из жидкости, содержащей дисперсное вещество, отличающийся тем, что он включает подачу жидкости, содержащей дисперсное вещество, к месту эжекции, приложение электрического потенциала к месту эжекции с получением на нем электрического поля, вызывающего образование агломератов в месте эжекции, и эжектирование этих агломератов от места эжекции в воздушную среду электростатическим путем.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно включает периодическое формирование и эжекцию агломератов от места эжекции.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно включает подачу к месту эжекции потока жидкости, содержащей дисперсное вещество.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно включает удаление избыточной жидкости от места эжекции.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что удаление избыточной жидкости от места эжекции осуществляют путем вакуумной откачки.

6. Способ по пп.1 - 5, отличающийся тем, что в качестве места эжекции используют острие с радиусом кривизны на конце в интервале 5 - 50 мкм.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве места эжекции используют вытянутый край.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что вдоль вытянутого края расположено несколько точек эжекции.

9. Способ по пп.1 - 8, отличающийся тем, что получают агломераты диаметром 1 - 500 мкм.

10. Способ по пп.1 - 9, отличающийся тем, что жидкость является неэлектропроводной.

11. Способ по пп.1 - 10, отличающийся тем, что дискретное вещество состоит из частиц, способных нести заряд.

12. Способ по п.11, отличающийся тем, что частицы способны нести заряд того же знака, что и электрический потенциал, подаваемый к месту эжекции.

13. Способ по п.11, отличающийся тем, что частицы имеют собственный заряд того же знака, что и электрический потенциал, подаваемый к месту эжекции.

14. Способ по пп.1 - 13, отличающийся тем, что электрический потенциал составляет 500 - 5000 В.

15. Способ по пп.1 - 14, отличающийся тем, что размер агломератов и доля содержащейся в них жидкости зависят от природы жидкости, диспергированного вещества и электрического потенциала.

16. Устройство для получения и эжектирования в воздух дискретных агломератов дисперсного вещества, содержащего часть жидкости, из жидкости, содержащей дисперсное вещество, отличающееся тем, что оно содержит место эжекции, средства подачи электрического потенциала к месту эжекции для образования на нем электрического поля и средства подачи к месту эжекции жидкости, содержащей дисперсное вещество.

17. Устройство по п.16, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит средства подачи потока жидкости к месту эжекции.

18. Устройство по п. 16, отличающееся тем, что дополнительно содержит средства удаления избыточной жидкости и дисперсного вещества от места эжекции.

19. Устройство по п.16, отличающееся тем, что место эжекции представляет собой острие.

20. Устройство по п.16, отличающееся тем, что место эжекции представляет собой вытянутый край.

21. Устройство по п.16, отличающееся тем, что место эжекции представляет собой множество остриев, расположенных вдоль вытянутого края.

22. Устройство по п.16, отличающееся тем, что место эжекции представляет собой матричную форму, образованную эжекционными остриями.

23. Устройство по пп.16 - 22, отличающееся тем, что место эжекции снабжено поверхностью полусферической или полуцилиндрической формы с радиусом кривизны в интервале 5 - 50 мкм.

24. Устройство по п.16, отличающееся тем, что в нем предусмотрено периодическое формирование и эжектирование в воздух агломератов частиц жидкости.

25. Устройство по п.16, отличающееся тем, что электрический потенциал составляет 500 - 5000 В.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способу и устройству для переноса агломератов твердого дисперсного вещества, суспендированного в жидкости, к поверхности, на которой происходит запись.

Одним из особых случаев применения предлагаемого изобретения является перенос агломератов веществ с высокой интенсивностью окраски на поверхность для записи методом бесконтактной печати. Однако следует понимать, что изобретение не ограничено переносом окрашенных веществ при бесконтактной печати, но может также использоваться для какого-либо осаждения на основу других веществ. Примерами других возможных вариантов использования могут быть перенос биологических веществ для применения в иммунных пробах, перенос дисперсных лекарств и осаждение фосфоресцирующих или флюоресцирующих веществ для охранных кодов.

Хотя изобретение будет обсуждаться в связи с применением в области печати, его объем шире.

Существует много разных видов оборудования, используемых для систем бесконтактной печати, которую обычно называют чернильно- струйной печатью. Обычно чернила подают через сопло, выходной диаметр которого является основным фактором, определяющим размер капелек и, следовательно, размер чернильных пятен на поверхности записи. Капельки из сопла могут быть получены либо непрерывно, и в этом случае способ называется непрерывной печатью, либо, при необходимости, дискретно, и в этом случае способ называют дискретной печатью. При непрерывной печати чернила подают через сопло под высоким давлением, а на сопло подают колебания со строго постоянной частотой и получают при этом поток капелек одинакового размера. Подавая на капельки электрический заряд и используя внешнее по отношению к соплу электрическое поле, можно вызвать отклонение отдельных капелек при их переносе на поверхность для записи в соответствии с сигналом, воздействующим на электрическое поле, с образованием таким путем на поверхности для записи изображения, соответствующего контрольному сигналу. Дискретную печать осуществляют путем создания локальных колебаний давления жидкости вблизи узкого сопла с образованием при этом капелек жидкости, вылетающих из сопла.

В любом способе струйной печати окрашенное вещество - это растворимый краситель в сочетании со связующим для лучшего сохранения напечатанного изображения. Недостатком растворимых красителей является недостаточная для некоторых случаев плотность отпечатанного изображения, а также выцветание при воздействии окружающей среды. Другим недостатком растворимых красящих веществ является зависимость качества отпечатанного изображения от свойств поверхности для записи. Известно, что пигментированные чернила дают изображения большей плотности, чем растворимые красители, и являются более долговечными. Пигменты также могут быть использованы в струйных принтерах, но для получения плотного изображения требуется высокая концентрация пигмента в жидкости-носителе. Высокая концентрация пигментирующего вещества влияет на разрыв капелек в непрерывных принтерах и приводит к менее однородной печати. В дискретных принтерах нет постоянного высокого давления и образование капелек сильно зависит от локальных условий в сопле, поэтому присутствие пигментов может привести к забивке сопла или к другим локальным изменениям условий в сопле, или к неправильному вылету капелек из сопла.

Другой способ, известный под названием электростатической струйной чернильной печати, характеризуется электростатической силой, приложенной к жидкости, и описан, например, в литературе [1]. Он включает генерирование и ускорение движения заряженных капелек жидкости из сопла к пластинчатому электроду путем создания высокого напряжения между соплом и пластиной. Этот способ был улучшен путем использования клапанного электрода для прерывания или контроля струйного потока, а также двух пар электродов для воздействия на траекторию полета капелек. Струйную чернильную печать осуществляют, помещая бумагу непосредственно перед пластинчатым электродом и используя токопроводящий раствор чернил.

Целью предлагаемого изобретения является получение в жидкости образуемых вне сопла агломератов дисперсного вещества, размер которых, следовательно, не зависит от размера сопла.

Другой целью предлагаемого изобретения является получение в жидкости агломератов частиц с очень высокой концентрацией дисперсного вещества для обеспечения высокой концентрации дисперсного вещества на поверхности для записи.

Еще одной целью предлагаемого изобретения является получение агломератов дисперсного вещества в жидкости, которая может и не быть электропроводной.

С одной стороны, изобретение касается способа получения дискретных агломератов, сгустков, агрегатов, скоплений, кластеров и т.п. дисперсного вещества в жидкости из жидкости, содержащей дисперсное вещество, включающем подачу к месту эжекции жидкости, содержащей дисперсное вещество, подачу электрического потенциала на место эжекции для образования на нем электрического поля, вызывающего образование агломератов на месте эжекции, и эжектирование этих агломератов от места эжекции электростатическим способом.

Другой возможный вариант изобретения заключается в способе получения дискретных агломератов, сгустков, агрегатов, скоплений, кластеров и т.п. дисперсного вещества в жидкости из жидкости, содержащей дисперсное вещество с меньшей концентрацией, включающем подачу жидкости с меньшей концентрацией дисперсного вещества к месту эжекции, подачу электрического потенциала на место эжекции для образования на нем электрического поля, вызывающего образование агломератов частиц в жидкости в месте эжекции, и последующее эжектирование этих агломератов от места эжекции электростатическим способом.

Далее будет показано, что согласно предлагаемому изобретению размер агломератов не зависит от размеров какого-либо сопла, подающего к месту эжекции содержащую дисперсное вещество жидкость, а зависит лишь от геометрии места эжекции, уровня электрического поля и природы жидкости и дисперсного вещества.

Можно также видеть, что предлагаемое изобретение отличается от известных в технике тем, что жидкость не обязательно является электропроводящей. Агломераты частиц в жидкости, по-видимому, образуются за счет электростатического воздействия на частицы. Жидкость является лишь носителем. Перенос частиц вместо жидких растворов красящего вещества означает, что может быть получен более интенсивный отпечаток на основе и могут быть получены точки с меньшим размером и более высокой скоростью высыхания.

В одном из выбранных способов осуществления изобретения электрический потенциал, образующий поле, может быть пульсирующим для периодического образования и эжекции агломератов частиц в жидкости от места эжекции.

Таким образом можно осуществить подачу потока жидкости, содержащей дисперсное вещество, к месту эжекции и удаление избыточной жидкости от места эжекции. Такое удаление избыточной жидкости может осуществляться с помощью вакуумирования. Следует понимать, что вместе с избыточной жидкостью с места эжекции может удаляться и часть дисперсного вещества.

Электрический потенциал вызывает образование на месте эжекции электрического поля, существенно зависящего от геометрических параметров, в частности от радиуса кривизны места эжекции, и в предпочтительном варианте осуществления изобретения место эжекции представляет собой иглу с радиусом кривизны на кончике в интервале от 5 до 50 мкм. В другом варианте место эжекции может представлять собой вытянутый и заостренный край. Место эжекции может быть выполнено в виде множества остриев, расположенных вдоль заостренного края, или матричной формы, образованной эжекционными остриями.

По предлагаемому способу можно получать агломераты частиц в жидкости с высокой концентрацией дисперсного вещества с размерами агломератов от 1 до 500 мкм в диаметре.

Предпочтительно, чтобы жидкость была неэлектропроводной, а дисперсное вещество состояло из частиц, способных нести заряд. Предпочтительно, чтобы частицы могли нести заряд того же знака, что и потенциал, подаваемый на место эжекции.

Электрический потенциал, подаваемый на место эжекции, может быть в интервале от 500 до 5000 В.

С другой стороны, можно сказать, что изобретение касается устройства для получения дискретных агломератов, сгустков, агрегатов, скоплений, кластеров и т. п. дисперсного вещества в жидкости из жидкости, содержащей дисперсное вещество в меньшей концентрации. Устройство содержит место эжекции, средства подачи электрического потенциала на место эжекции с образованием на нем электрического поля и средства подачи на место эжекции жидкости, содержащей дисперсное вещество в меньшей концентрации.

В такой форме изобретение реализуется через устройство для получения в жидкости агломератов частиц, образуемых на месте эжекции и эжектируемых с него, с высокой концентрацией в агломератах дисперсного вещества.

Устройство может также содержать средства подачи потока жидкости к месту эжекции. Такой поток можно создать с помощью насоса или путем гравитационной подачи или каким-либо иным способом.

Устройство может дополнительно содержать средства вакуумного удаления избыточной жидкости и излишка дисперсного вещества от места эжекции.

В одном из вариантов место эжекции может быть снабжено острием с радиусом кривизны от 5 до 50 мкм или заостренным краем с радиусом кривизны полуцилиндрической поверхности от 5 до 50 мкм. В другом варианте эжектор может представлять собой матричную форму, образованную эжекторными остриями.

Предлагаемое устройство может быть приспособлено либо для прерывистого получения агломерата, либо для создания непрерывного потока агломератов, который можно отклонять электростатически во внешнем устройстве. Прерывистое получение агломератов можно осуществить при подаче на эжектор пульсирующего электрического потенциала.

В целом ясно, что предлагаемое изобретение позволяет осуществлять так называемое электрофоретическое концентрирование агломератов дисперсного вещества в жидкости на месте эжекции и электростатическое эжектирование таких агломератов.

Хотя механизм образования агломератов не вполне ясен, есть одна гипотеза, с которой заявка прямо не связана. Частицы, находящиеся в жидкости, подаваемой к месту эжекции, неизбежно заряжены, причем зарядом того же знака, что и эжектор, и под действием электрического поля возрастает концентрация дисперсных частиц, особенно на конце места эжекции. При этом возрастает агломерация частиц в ограниченном объеме жидкости и усиливается взаимное отталкивание частиц, стремящихся удалиться от места эжекции, до тех пор, пока электростатическое отталкивание между местом эжекции и агломератом заряженных частиц не возрастет до такой степени, что поверхностное натяжение жидкости не сможет больше удерживать агломерат у места эжекции. На этой стадии агломерат выталкивается электростатическим путем.

Следует особо отметить, что ввиду электростатической природы отталкивания не требуется заземлять какой-либо субстрат для обеспечения притяжения к нему агломератов, и агломераты могут пролетать значительные расстояния прежде чем достигнут основы. Это дает возможность получить на основе нужный отпечаток с помощью электростатических или других способов отклонения потока агломератов.

Следует отметить, что объем изобретения не ограничен лишь подачей частиц окрашенных чернил для печатания на различных основах. В области медицинской техники есть много случаев, когда необходимо подать нерастворимое дисперсное вещество без применения атомизаторов, использующих газ. Многие лекарства для ингаляции представляют собой дисперсные вещества, например дипропионат беклометазона, который является наиболее распространенным кортикостероидом для лечения астмы, и хромогликат натрия, используемый для профилактики астмы. К ним можно применить предлагаемое изобретение, так как агломераты частиц лекарства можно подавать с минимальным количеством жидкости-носителя.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет вводить, например, в дыхательный тракт дисперсные лекарства в суспендированном виде в нетоксичном инертном носителе. Такая система обеспечивает быстрый способ доставки лекарств в кровяное русло.

На фиг. 1 изображен поперечный разрез эжекционного блока в одном из примеров исполнения; на фиг. 2 - место эжекции на фиг.1 и основа для печати; на фиг. 3 - альтернативный вариант исполнения устройства для получения капель согласно предлагаемому изобретению с использованием эжекционного края вместо эжекционного острия; на фиг. 4 - альтернативный вариант исполнения устройства для получения капель по предлагаемому изобретению с использованием нескольких точек эжекции; на фиг. 5 - интерпретация механизма действия изобретения.

На фиг.1 показан поперечный разрез предпочтительного варианта исполнения устройства для получения дискретных агломератов частиц в жидкости, содержащего средства подачи жидкости с диспергированным в ней веществом, место эжекции, средства подачи высокого напряжения и средства удаления избытка жидкости и дисперсного вещества.

Фиг. 1 иллюстрирует принципиальную схему изобретения, в котором устройство для получения дискретных агломератов частиц в жидкости состоит из электропроводящего корпуса с суженным концом. В корпусе 1 в электрическом контакте с ним находится электропроводящая питающая трубка 2. Длина питающей трубки 2 больше длины корпуса 1 и выступает из него с обеих сторон. На суженной стороне корпуса 1 питающая трубка 2 заканчивается срезом под углом 30^o по отношению к ее продольной оси и поэтому имеет точку с малым радиусом кривизны на внешней поверхности, являющуюся эжекционной точкой 3. Другой конец питающей трубки 2 соединен с системой 4 подачи жидкости с постоянным давлением, содержащей дисперсное вещество. Подачу жидкости с постоянным давлением можно осуществлять за счет силы тяжести через питающую трубку 2 или посредством насоса, качающего жидкость, содержащую дисперсное вещество, из резервуара (не показан). Ниже точки эжекции 3 на нижней стороне корпуса 1 находится элемент управления потоком в форме лопатки, которая направляет избыточную жидкость и дисперсное вещество в канал 6 откачки. Канал 6 откачки соединен с внешней системой 7 откачки, которая удаляет и утилизует избыточную жидкость и дисперсное вещество. Внешней системой откачки может быть вакуумная система откачки. Напряжение 8 можно подавать на корпус 1 и, следовательно, на питающую трубку 2.

Для осуществления изобретения жидкость, содержащую дисперсное вещество, подают в корпус 1 через систему подачи 4 при постоянном низком давлении. Жидкость, содержащая дисперсное вещество, проходит по питающей трубке 2 к точке эжекции 3. Когда напряжение 8 подают на корпус 1, образующееся электрическое поле вследствие формы корпуса 1 и питающей трубки 2 максимально в точке эжекции. Дисперсное вещество в жидкости имеет собственный заряд или приобретает заряд того же знака, что и приложенное напряжение, концентрируется в точке эжекции 3 и, если поле достаточно сильное, эжектируется в виде агломерата дисперсного вещества вместе с небольшим количеством жидкости в направлении, перпендикулярном точке эжекции. Если напряжение на корпусе сохраняется, эжекция повторяется с частотой, зависящей от величины приложенного напряжения, геометрии устройства, свойств жидкости и свойств дисперсного вещества. Остаток жидкости и все остатки дисперсного вещества направляют в канал откачки 6 с помощью элемента управления потоком или лопатки 5 и удаляют с помощью системы откачки 7.

На фиг. 2 показано в собранном виде устройство в соответствии с фиг.1, основа 9 и взаимное расположение устройства и основы. Агломераты частиц в жидкости, образующиеся в точке эжекции, направляются электростатически на основу и сталкиваются с ней. Основа может находиться на расстоянии 1 - 200 мм от точки эжекции в зависимости от величины подаваемого напряжения, геометрии точки эжекции и свойств жидкости и дисперсного вещества.

На фиг. 3 показано осуществление изобретения с использованием эжекционного края 13. Эжекционный край 13 представляет собой лезвие 12, выдвинутое из края клиновидного корпуса 10. Корпус 10 и лезвие 12 находятся в электрическом контакте. При подаче на корпус 10 напряжения 8 благодаря форме корпуса 10 и лезвия 12 электрическое поле максимально на эжекционном крае 13. Жидкость, содержащая дисперсное вещество, которую подают в корпус 10 через систему питания 14, проходит через канал подачи 11 к эжекционному краю 13.

Если поле достаточно сильное, то агломерат дисперсного вещества вместе с небольшим количеством жидкости эжектируется с эжекционного края 13. Расположение вдоль эжекционного края мест, на которых происходит эжекция, зависит от геометрии этого края. Если напряжение на корпусе сохраняется, то эжекция агломератов повторяется с частотой, зависящей от величины приложенного напряжения, геометрии устройства, свойств жидкости и свойств дисперсного вещества. Эта периодическая эжекция происходит вдоль эжекционного края 13. Остаток жидкости и все остатки дисперсного вещества удаляются тем же способом, что описан в отношении фиг.1.

Если на эжекционном крае 13 выполнено небольшое острие, то эжекция, как правило, происходит только с этого острия. Аналогичным образом, если выполнено второе острие, то эжекция, как правило, происходит только с этих двух остриев.

На фиг.4 показана конструкция, описанная на фиг.3, с использованием мультиплексной системы. Клиновидный корпус 10 состоит из электропроводящих секций 16, разделенных изолирующим материалом 15. Аналогичным образом лезвие 17 содержит электропроводящие секции 18, которые разделены изолирующим материалом 19. На конце лезвия 17 проводящие секции 18 выступают из изолирующего материала 15 и каждая обработана так, чтобы образовать точку эжекции 20.

Подача жидкости, содержащей дисперсное вещество, на точки эжекции 20 и удаление избыточной жидкости и любого остатка дисперсного вещества происходит так же, как описано в отношении фиг.3 и 1 соответственно. Напряжение 8, 8" или 8"" можно подать на любую токопроводящую секцию 16, чтобы агломерат дисперсного вещества с небольшим количеством жидкости эжектировался из соответствующей точки эжекции 20. Подача напряжения 8, 8" или 8"" на другие проводящие секции 16 приводит к эжекции агломератов дисперсного вещества с небольшим количеством жидкости из соответствующих точек эжекции 20. При электронном управлении питающего напряжения 8, 8" или 8"" можно эжектировать агломераты дисперсного вещества в жидкости из точек эжекции 20 в любом сочетании через любые необходимые промежутки времени.

На фиг.5A - 5E показано одно из возможных объяснений формирования в месте эжекции агломератов с более высокой концентрацией в них дисперсного вещества по сравнению с подаваемой на место эжекции жидкостью. Заявители не считают себя ограниченными этим объяснением.

Жидкость 31 с дисперсным веществом подают на место эжекции 30 потоком по поверхности корпуса к месту эжекции 30 на фиг.5A. По достижении места эжекции частицы приобретают заряд того же знака, что и поданный на эжектор потенциал, и ввиду высокой напряженности электрического поля, образованного на месте эжекции, частицы отталкиваются и начинают образовывать агломерат 32, как видно на фиг.5B.

По мере того, как все больше частиц отталкиваются от места эжекции и присоединяются к образующемуся на нем агломерату, размер агломерата 33 и 34 увеличивается, как показано на фиг.5C и 5D), но он еще не отделяется из-за поверхностного натяжения жидкости. Когда агломерат содержит достаточно много частиц, электростатическое отталкивание становится достаточно сильным, чтобы преодолеть поверхностное натяжение жидкости, и агломерат отделяется, как показано на фиг.5E.

Электростатическое отталкивание между эжектором и отделяющимся агломератом вызывает движение агломерата по прямой линии, зависящей от геометрии электростатического поля вокруг места эжекции.

Примеры. Проведены испытания с использованием трех комбинаций напряжения, типа жидкости, дисперсного вещества и геометрии точки эжекции. В каждом случае устройство было таким, как показано на фиг.1, с единственной точкой эжекции. Результаты приведены в таблице. Из таблицы видно, что радиус агломерата и, следовательно, радиус отпечатанной точки можно изменить путем изменения переменных.