液体单向渗透机理分子动力学模拟研究

发布时间：2017-07-15 20:28

  本文关键词：液体单向渗透机理分子动力学模拟研究

  更多相关文章： 均一孔道 非均一孔道 单向渗透 分子动力学模拟 喷涂

【摘要】：单向渗透材料具有单向传输液体的能力而得到研究者的广泛关注,在智能纤维、分离技术、燃料电池等领域具有广阔的应用前景。单向渗透与基体的润湿性质、厚度及孔道结构等均有关系,但是对于其单向渗透的机理缺乏一个微观的解释。本文以分子动力学模拟为手段研究单向渗透的机理和规律,在此基础上指导单向导水纤维的制备。以单原子固液体系为研究对象,从势能角度研究了液体在均一润湿性孔道中的渗透特性。在亲水性孔道中渗透时,入口处为势阱,出口处为势垒；在渗透过程中前端凹液面的渗透速度与经典毛细运动方程及文献结果有较好的吻合。疏水性孔道入口处对液体是一个较强的势垒,液体需在外加重力的作用下克服势垒才能渗入。考察了液体在非均一润湿性孔道中的单向渗透特性。从微观角度研究了单向渗透的机理,疏水层到亲水层(正方向)渗透过程中势能逐渐减弱,是自发过程；亲水层到疏水层(反方向)渗透过程势能逐渐增大,是非自发过程。正方向渗透过程分为两个阶段,首先液体渗入整个孔道,是一个快速过程,驱动力为亲水层的吸引力,需克服疏水层孔道的势垒；接着液滴渗过孔道,是一个慢速过程,。亲水层具有较低的相互作用能量,液滴逐渐渗过孔道到达能量最低的亲水层。反方向渗透时,液滴首先接触到能量最低的亲水层,在没有外力的作用下,液体不能渗过孔道。揭示了液体单向渗透的基本规律。亲水层亲水性较强,且厚度较大时,驱动力更大,更倾向于具有单向渗透的性能且正方向反方向渗透压差别较大,渗透速度快；疏水层疏水性较弱且厚度较薄时,渗透阻力较小,会有利于单向渗透；孔径增大使得单向渗透更为容易,渗透速度更快。外加重力场的存在使得两层基体润湿性、孔径及疏水层厚度在更大范围内具有单向渗透的特性,拓宽了单向渗透对材料的要求。减小疏水层疏水性及厚度,增大亲水层润湿性及厚度,增大孔径,在反重力场下依然具有单向渗透的性能,其渗透机理与无重力情况类似。采用溶液喷涂的方法,以涤纶纤维为基材,在纤维一侧喷涂PS/氯仿溶液,形成由疏水性较弱且厚度小的疏水层和超亲水性且厚度大的亲水层组成的纤维薄膜。具有单向导水的性能,正方向和反方向渗透压有较大差值。
【关键词】：均一孔道 非均一孔道 单向渗透 分子动力学模拟 喷涂
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ028.8
【目录】：

• 致谢5-7
• 摘要7-9
• Abstract9-19
• 第1章 前言19-21
• 第2章 文献综述21-43
• 2.1 表面润湿及毛细运动21-25
• 2.1.1 表面润湿基本理论21-24
• 2.1.2 毛细运动24-25
• 2.2 平面单向传导25-27
• 2.3 三维单向渗透27-32
• 2.3.1 单向导水27-30
• 2.3.2 单向导油30-31
• 2.3.3 单向渗透机理分析31-32
• 2.4 分子动力学模拟32-40
• 2.4.1 分子动力学模拟简介32-37
• 2.4.2 分子动力学模拟的应用37-40
• 2.5 课题的提出40-43
• 第3章 均一润湿性孔道内渗透特性分子动力学模拟43-63
• 3.1 模拟体系的构建及力场43-45
• 3.1.1 体系构建43-44
• 3.1.2 力场44-45
• 3.2 模拟方法及渗透压表征方法45-46
• 3.2.1 模拟方法45-46
• 3.2.2 渗透压表征方法46
• 3.3 结果与讨论46-62
• 3.3.1 无重力时液滴在孔道中的渗透特性分析46-52
• 3.3.2 外加重力场时液滴在孔道中的渗透特性52-57
• 3.3.3 润湿性的影响57-58
• 3.3.4 孔径的影响58-60
• 3.3.5 厚度的影响60-62
• 3.4 本章小结62-63
• 第4章 非均一润湿性孔道单向渗透特性分子动力学模拟63-89
• 4.1 模拟体系的构建及力场63-64
• 4.2 模拟过程64
• 4.3 结果与讨论64-87
• 4.3.1 液滴单向渗透机理分析64-68
• 4.3.2 润湿性的影响68-76
• 4.3.3 孔径的影响76-80
• 4.3.4 厚度的影响80-84
• 4.3.5 反重力场下单向渗透84-87
• 4.4 本章小结87-89
• 第5章 单向导水纤维薄膜的制备89-103
• 5.1 前言89
• 5.2 实验部分89-92
• 5.2.1 实验材料及装置89-90
• 5.2.2 实验过程90-91
• 5.2.3 测试与表征91-92
• 5.3 结果与讨论92-101
• 5.3.1 单向导水性能分析92-95
• 5.3.2 溶剂对渗透的影响95-97
• 5.3.3 聚合物疏水程度对渗透的影响97-99
• 5.3.4 基体亲水程度对渗透的影响99-101
• 5.4 本章小结101-103
• 第6章 结论与展望103-105
• 6.1 结论103-104
• 6.2 展望104-105
• 参考文献105-115
• 作者简介115

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