低表面张力液体下的粗糙表面固液界面边界滑移的研究

发布时间：2020-06-07 08:38

【摘要】：近年来,随着微纳米流体系统的应用领域不断广泛,其微纳米管道中输运的液体类型已不再局限于水或者各种电解质溶液,也包括了烷类和醇类等具有低表面张力的油类液体。微纳米管道固液界面上的流体阻力会对微纳米流体的输运效率造成影响,已成为制约微纳米流体系统发展的关键因素之一。在微纳米尺度下,固液界面上边界滑移的存在是减小流体阻力的主要因素。但是目前对于边界滑移的理论和实验研究主要以固-水界面为研究对象,对于固-油界面的研究主要集中在光滑亲油表面的边界滑移上,而超亲油、疏油和超疏油表面的相关研究则相对不足。因为根据Wenzel模型表面粗糙度将增加液体的实际接触面积并放大固体表面的润湿性,而油类液体与水相比具有较低的表面张力(50 mN/m),所以超亲油、疏油和超疏油表面的粗糙度普遍高于超亲水、疏水和超疏水表面。表面粗糙度的存在会对目前基于光滑表面流体力测量模型的固液界面边界滑移测量方法的准确性造成影响。而且粗糙度对于固-油界面边界滑移的影响及其机理尚不明确,与此同时,电场和pH值等外界因素对粗糙表面边界滑移的影响机理和规律还有待于研究。所以,研究粗糙表面边界滑移的测量方法,并且对粗糙表面固-油界面的边界滑移进行测量,研究影响粗糙表面边界滑移的相关因素和影响规律,对于减小微纳管道中流体阻力以及提高低表面张力液体的输运效率具有重要的理论意义和实用价值。本文提出了一种基于AFM接触模式的粗糙表面有效边界滑移长度测量方法,建立了液体环境下AFM胶体探针和表面粗糙轮廓之间的流体力测量模型。通过分析液体在粗糙表面固液界面的流动特性设置了测量参考面的位置,并通过测量胶体探针小球上的流体力实现有效边界滑移长度的测量。分别用传统方法和本文提出的方法测量了浸于十六烷和乙二醇中具有相似表面润湿性的光滑样本和粗糙样本的边界滑移,结果表明采用本文提出测量方法,粗糙表面有效边界滑移长度均小于光滑表面边界滑移长度,该结果与现有规律一致,证明本文提出粗糙表面边界滑移测量方法适用于粗糙表面上的固-油界面的边界滑移测量。采用纳米颗粒和聚合物基层的多层复合结构涂层,通过改变表面制备工艺的方法,制备了具有不同粗糙度轮廓幅值参数和间距参数以及相同润湿性的样本。基于所提方法,分别测量了十六烷和乙二醇在样本表面的有效边界滑移长度。通过均一化方法建立了粗糙表面固液界面状态模型,分析了固液界面上固体和液体之间的摩擦力,并且以此分析了粗糙度轮廓幅值参数和间距参数分别对有效边界滑移的影响机理。实验结果表明粗糙表面的有效滑移长度随着幅值参数的增加而减小,随着间距参数的增加保持不变。通过外加电场的方式,研究了表面电荷对于粗糙表面的固-油界面有效边界滑移的影响。制备了纳米颗粒结合粘合剂的粗糙超亲油、疏油和超疏油样本以及光滑的聚苯乙烯(PS)和十八烷基三氯硅烷(OTS)样本。研究了电场强度对于浸入在十六烷和乙二醇中的样本固液界面表面电荷密度和边界滑移的影响,并且与去离子水实验进行了对比。实验结果发现对于粗糙表面,油类液体中的边界滑移长度随着电压的增大而基本保持不变;对于光滑表面,油类液体中的边界滑移长度随着电压的增大而增大。这是由于等效电容决定了表面携带电荷的能力,所以电场对固液界面的影响和表面等效电容有关。粗糙表面的等效电容小于光滑表面,所以表面电荷密度变化较小。固液界面表面电荷的存在,会改变固液界面上液体分子与固体分子间的相互作用力,进而改变边界滑移长度。实验结果与Joly等人研究得到的边界滑移长度随着表面电荷密度绝对值的变化规律相一致。液体pH值的改变可以导致固-油界面表面电荷的变化,本文分别制备了pH值范围在3-11的乙二醇和水溶液,测量了不同pH值下的固液界面表面电荷密度和边界滑移长度。实验结果发现,乙二醇中的表面电荷密度远小于水溶液。pH值范围在3-8时,乙二醇中的边界滑移长度随pH的增加而增大;pH值范围在8-11时,乙二醇中的边界滑移长度随pH的增加而减小。这是因为随着pH值变化,样本吸附酸性或碱性液体中的负离子导致表面电荷密度增大。pH值范围在3-11时,水溶液中的边界滑移长度随着pH值的增加而减小。这是因为水中大量羟基的存在影响了表面在酸性环境下负离子的吸附导致了表面电荷密度减小。综上所述,本文通过构造液体环境下AFM胶体探针和表面粗糙轮廓之间的流体力测量模型,提出了AFM接触模式下粗糙表面有效边界滑移长度测量方法;在此基础上研究了粗糙度轮廓幅值参数和间距参数对固-油界面有效边界滑移的影响;然后进一步研究了外加电场作用下表面电荷以及不同液体pH值条件下表面电荷对粗糙表面的固-油界面有效边界滑移的影响。
【图文】：

a) 非滑移边界条件 b) 滞留层边界滑移 c) Navier 边界滑移a) Non-slip b) Stagnant layer c) Navier boundary slip图 1-1 流体运动流场示意图[25]Fig. 1-1 Schematic of velocity profile for liquid flow[25]然而，随着测量手段的不断提高与理论水平的快速发展，理论和实验研究结果

图 1-2 SFA 法滑移长度测量示意图Fig. 1-2 Schematic of SFA measurement of slip length统测量设备，SFA 法在力和位移测量方面具有量的力通常大于 10 mN，，接触面积为微米量级
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O35;TG806

【参考文献】

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3 卢晟;李梅;;超疏油表面研究进展[J];材料导报;2013年11期

4 于广锋;刘宏伟;;基于滑移理论的超疏水表面减阻性能分析[J];摩擦学学报;2013年02期

5 王馨;张向军;孟永钢;温诗铸;;微纳米间隙受限液体边界滑移与表面润湿性试验[J];清华大学学报(自然科学版);2008年08期

6 吴承伟;马国军;周平;;流体流动的边界滑移问题研究进展[J];力学进展;2008年03期

7 曾雪锋,董良,吴建刚,岳瑞峰,刘理天;介质上电润湿现象的研究[J];仪器仪表学报;2004年S1期

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本文编号：2701153