纳米液滴润湿性的分子动力学模拟

发布时间：2020-09-27 12:16

　　随着溢油事件的频繁发生,油水分离问题已经变得非常迫切。由于对油和水具有鲜明相反亲和力,特殊浸润性表面已成功用于选择性油水分离,并显示出诱人的应用前景。因此,对水或油在固体表面上润湿性的研究极为重要。本文采用分子动力学模拟方法,利用LAMMPS软件研究了水纳米液滴、水-油混合纳米液滴在光滑及粗糙壁面上的润湿特性,探讨了水纳米液滴在聚四氟乙烯(PTFE)壁面上的润湿过程,并对粗糙壁面进行了优化模拟。对于光滑壁面,水纳米液滴的接触角随能量系数的增大而减小。当壁面表现为疏水性时,接触角随温度的升高而增大;当壁面表现为中性时,接触角几乎不受温度的影响;当壁面表现为亲水性时,接触角随温度的升高而减小。水分子数对接触角的影响并不大。此外,汽-液界面厚度随温度升高而增大,与水分子数、壁面能量系数基本无关。对于粗糙壁面,当壁面表现为疏水性时,水纳米液滴的接触角随柱高的增加而增大;随相面积分数的增加,纳米液滴的接触角先增大后减小,液滴润湿状态由Wenzel态逐渐转变为Cassie态。当壁面表现为中性或亲水性时,水纳米液滴的接触角随柱高、相面积分数变化不明显,其润湿状态均为Wenzel态。对于光滑PTFE壁面,水纳米液滴接触角随温度的升高而增大,与液滴初始直径基本无关。对于栏栅形PTFE壁面,水纳米液滴的接触角随粗糙度因子先增加然后保持不变,随相面积分数的减小而增大。通过对模拟条件进行优化,水纳米液滴在PTFE壁面上的接触角达到145.6°,接近超疏水状态。随温度、正十六烷体积分数的增加,水-油混合纳米液滴的接触角呈总体增加的趋势。对于疏液壁面,柱高越大接触角越大;随凹陷宽度的减小,混合纳米液滴的接触角先增大再减小。对于亲液壁面,随凸起高度的增加,接触角呈总体增加的趋势;接触角随凹陷宽度的变化没有明显规律。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O645.16
【文章目录】：
摘要
Abstract
引言
1 文献综述
    1.1 研究背景及意义
    1.2 润湿相关理论
    1.3 分子动力学模拟简介
        1.3.1 分子动力学模拟的基本原理
        1.3.2 分子动力学模拟的步骤
        1.3.3 力场与势函数的选取
        1.3.4 牛顿运动方程的数值解法
        1.3.5 系综的选取
        1.3.6 周期性边界条件与最近镜像
        1.3.7 截断半径的选取
    1.4 国内外研究现状
        1.4.1 纯组分纳米液滴在光滑及粗糙壁面上的润湿性研究
        1.4.2 混合物纳米液滴在固体壁面上的润湿性研究
        1.4.3 纳米液滴在聚合物固体壁面上的润湿性研究
    1.5 本文主要研究内容
2 水纳米液滴在光滑壁面上润湿性的MD模拟
    2.1 模拟方法
        2.1.1 模拟体系
        2.1.2 模拟细节
        2.1.3 势能模型的选取
        2.1.4 汽-液界面厚度及接触角的确定
    2.2 结果与讨论
        2.2.1 水分子数的影响
        2.2.2 能量系数的影响
        2.2.3 温度的影响
    2.3 本章小结
3 水纳米液滴在粗糙壁面上润湿性的MD模拟
    3.1 模拟方法
    3.2 结果与讨论
        3.2.1 壁面形貌的影响
        3.2.2 柱高的影响
        3.2.3 相面积分数的影响
    3.3 本章小结
4 水纳米液滴在聚四氟乙烯壁面上润湿性的MD模拟
    4.1 模拟方法
        4.1.1 模拟体系
        4.1.2 模拟细节
        4.1.3 势能模型的选取
    4.2 水纳米液滴在光滑PTFE壁面上的润湿行为
        4.2.1 温度的影响
        4.2.2 液滴初始直径的影响
    4.3 水纳米液滴在粗糙PTFE壁面上的润湿行为
        4.3.1 粗糙度因子的影响
        4.3.2 相面积分数的影响
        4.3.3 最佳润湿状态
    4.4 本章小结
5 水-油混合纳米液滴润湿性的MD模拟
    5.1 模拟方法
        5.1.1 模拟体系
        5.1.2 模拟细节
        5.1.3 势能模型的选取
    5.2 水-油混合纳米液滴在光滑壁面上的润湿行为
        5.2.1 温度的影响
        5.2.2 正十六烷体积分数的影响
    5.3 水-油混合纳米液滴在粗糙壁面上的润湿行为
        5.3.1 柱高的影响
        5.3.2 凹陷宽度的影响
    5.4 本章小结
6 结论与展望
    6.1 结论
    6.2 创新点
    6.3 展望
参考文献
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
致谢

【参考文献】