泥炭藓的超亲水机理研究

发布时间：2020-08-18 21:14

【摘要】：超亲水表面是一种极端润湿性表面,具有超浸润的特点。超亲水表面在自清洁、防雾、油水分离、高负液体运输、血液相容材料、骨亲和性材料等方面具有广泛的应用价值。在超亲水表面的研究中,大自然中存在的天然超亲水表面给我们无数启示。研究表明,泥炭藓是一种具有超亲水表面的植物,但现有研究尚未对其亲水性进行系统性研究。因此,本文将泥炭藓这种天然的超亲水植物作为研究对象,对泥炭藓叶片的结构、微观形貌和表面化学成分进行表征,并通过高速相机对液体在泥炭藓表面的润湿性能进行深入研究。首先,本文对泥炭藓最大吸水质量,吸水速度,失水速度,失水率进行研究,结果表明泥炭藓植物的最大吸水质量是其干燥质量的22.5倍;同时,本文对泥炭藓吸水质量和吸水速率与时间的关系进行研究,发现吸水质量与时间具有m_(absorb)=alnt_(absorb)+b的自然对数函数关系,吸水速率与时间符合v_(absorb)=at~b_(absorb)幂函数关系。然后,本文对泥炭藓微观形貌进行研究,发现泥炭藓叶片主要呈半葫芦状,叶片前部较尖锐,叶片中后部渐宽,叶片外突,叶片内部可以储存大量水分。由于泥炭藓叶片由单层中空细胞组成,我们采用分形维数、表面粗糙度等参数对泥炭藓表面的结构特性进行表征,建立泥炭藓植物三维模型,进而计算出泥炭藓叶片的最大吸水量和孔隙率等性能指标。本文通过高速摄像观察,研究液体在泥炭藓植物中的铺展过程,分析了液体的表面张力、粘度对其在泥炭藓表面铺展距离和铺展速度的影响,推导了泥炭藓茎叶的铺展方程。同时,根据传统的超亲水表面润湿理论,本文修正了泥炭藓叶片的接触角方程,发现中空细胞表面的粗糙结构与中空细胞内部高孔隙率共同作用是泥炭藓叶片表面具有超亲水性的重要原因。本文对液体在泥炭藓叶片中空细胞内的铺展过程进行研究,发现泥炭藓叶片中空细胞内壁并不光滑,由骨架将细胞整体分割成诸多隔间,液体在中空细胞内部的流动过程是依次填充每一个隔间,根据数据测量拟合得出,铺展距离与时间的关系是l_(spread)=202t~(0.53)_(spread),铺展速度方程是v_(spread)=107t~(-0.47)_(spread)。本文观测了在雾天环境下泥炭藓吸取雾水的宏观/微观过程,通过实际观察可以发现,在吸取雾水的前期,泥炭藓叶片中空细胞间的突起结构可以扩大雾水与泥炭藓叶片表面的真实接触面积,使得泥炭藓叶片表面能更快吸收更多雾水,随着雾水吸取量的增加,泥炭藓叶片中空细胞以及叶片内部空间均被雾水填充,以满足泥炭藓对于水分的需求。最后,本文为探究泥炭藓吸收落雨的过程,对下落液滴与泥炭藓茎叶的相互作用进行研究。研究表明,泥炭藓茎叶的弹性会提高水滴撞击后的临界分离速度,可使泥炭藓茎叶吸收下落速度较快的液滴,使泥炭藓植物在雨天环境中吸收更多的雨水。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O647.5
【图文】：

超亲水,超疏水,相关主题,论文数量

博士学位论文的论文从数量上远大于研究超亲水的论文数量，从发表论文的时间上看，超疏水的研究论文早在 1999 年之前就有诸多论文开始对于超疏水这一现象进行研究，而超亲水的研究论文在 2007 年后才有较多研究论文。可见，相较于超疏水表面的研究，超亲水表面无论是从理论、制备和应用上都缺乏较为系统性的研究。但是由于超亲水表面具有超浸润的特点，使得超亲水表面在自清洁、防雾、油水分离、高负液体运输、血液相容材料、骨亲和性材料等方面具有广泛的应用价值，例如：玻璃防污，设备防雾，油水分离材料和医疗植入性材料等。

示意图,接触角,示意图,超亲水

图 1-2 Young's 接触角示意图Figure.1-2 Schematic diagram of Young's contact angle面接触角模型光滑的超亲水表面并不多，大部分的超亲水现象主要据表面类型的不同，超亲水表面的接触角模型也随面的超亲水接触角模型Young 理论模型基础上，为了解决 Young’s 方程无法题，首次引入粗糙度评估表面润湿性，提出了粗糙固的 Wenzel 理论模型[16]。在 Wenzel 理论模型中，假设糙结构，在液体下方形成均匀得固-液界面（即 We态下，实际固-液接触面积大于几何投影面积，通常面粗糙因子。Wenzel 利用表面粗糙度因子：将粗糙固表面的润湿性结合起来，推导出经典的 Wenzel 理论cosθw=r*×cosθY

微观形貌,凤梨,微观形貌,区域

图 1-3 泥炭藓(a)和松萝凤梨(b)的微观形貌[19]Figure.1-3 Morphology of sphagnum sphagnum (a) and pineapple (b)[19]蛤蜊上体现壳内表面可分为 2 个区域，一是边缘光滑区域（如图 1-4(a)中的区域 1），二是大脑皮层覆盖区域（如图 1-4 (a)中的区域 2），这两个区域的分界线是外套线（大脑皮层的肌痕）。2012 年 ShutaoWang 等人对蛤蜊壳内表面的水下油润湿性进行了研究[21]。当蛤蜊壳内表面经去离子水冲洗、原油浸泡后，区域1 被原油污染，而区域 2 依然十分干净（如图 1-4 (b)所示），表明区域 2 具有十分优异的水下超疏油性。区域 1 和 2 显示不同水下油润湿性的原因并不是表面化学成分的不同（主要成分均是亲水的无机 CaCO3），而是因为表面微观结构的极大差异。图 1-4 (c)-(f)分别为区域 1 和 2 的表面 SEM 照片和 AFM 照片：在区域1，微米级叶状薄片以特别小的倾斜角度紧挨在一起，形成的形貌较光滑（如图1-4(c)所示），表面粗糙度仅为 76.4±10.2 nm（波动范围仅 100 nm，如图 1-4 (e)所示）；而在区域 2，微米级不规则的块状结构无序地堆放在一起，在微米级块状结构的表面还分布纳米级结构，形成的形貌非常粗糙（如图 1-4(d)所示）表面粗糙度是 137.5±32.8 nm，而波动范围达 700 nm。区域 2 的微观粗糙结构可使表面

【参考文献】