具有凹陷结构的锥形纤维表面上液体超快速定向输运研究

发布时间：2020-11-19 16:28

　　 液体的定向输运在日常生产和生活中有着广泛的应用,比如雾水收集、油水分离,微流体以及过滤等。实现定向输运的体系有多种,其中,锥形纤维由于具有自发驱动液体定向运动的特征,而成为定向输运研究的一个理想体系。然而,目前的研究只是局限在圆锥纤维表面,而且液体在圆锥纤维表面定向输运时运动速度较小,运动距离短,同时在运动过程中会有液体体积的损耗,达不到一个高效率的收集和利用。因此,如何利用锥形纤维自驱动的独特功能实现液体的超快速定向输运,仍然是目前亟待解决的问题。受锥形纤维收集与定向输运液滴的启发,本论文通过优化结构、引进新的驱动因素,设计了具有凹陷结构的锥形纤维,利用锥形结构梯度产生的拉普拉斯压力和凹陷结构产生的毛细力的协同作用,实现液体的超快速定向输运。同时根据引入不同数量的凹陷结构,计算并对比液体在不同纤维表面定向输运的速度。最后,对液体在不同纤维表面定向输运过程进行受力分析,探究和验证液体定向输运的机理,最终建立相应的机理模型。该研究对发展简单、高效、低成本的定向输运体系具有重要的理论和实践意义。本文的主要工作包括以下两个部分:1.液体在凹陷纤维表面的超快速定向输运复形得到四种纤维结构,通过对四种纤维表面形貌和截面形貌的表征,绘制了复形过程机理图。将得到的四种纤维表面亲水处理后水平放置,使用静态接触角仪器在纤维尖端滴加0.05μL去离子水,观察液体在四种纤维表面运动过程。当液体在纤维表面从尖端定向运动到底端时,液体在圆锥、凹陷三棱锥、凹陷四棱锥和凹陷五棱锥上运动速度分别是:0.97 mm/s,28.79 mm/s,14.43 mm/s,8.78 mm/s。结果表明液体在凹陷棱锥纤维表面运动速度大于液体在圆锥纤维表面的运动速度。其中液体在凹陷三棱锥纤维表面运动速度最大,为28.79 mm/s,是液体在圆锥纤维表面运动速度的30倍左右。尝试将纤维表面润湿,再次计算液体在湿润纤维表面运动速度,发现液体在湿润纤维表面运动速度比在干燥纤维表面运动速度大,在湿润纤维表面液体运动速度同样遵循凹陷棱锥纤维表面运动速度大于在圆锥纤维表面运动速度这一规律,而且液体在凹陷三棱锥表面运动速度最大可以达到47.34 mm/s。这一实验结论为液体的超快速定向输运提供了一种新的思路。2.超快速定向输运机理的探究及应用在第二章中证明了液体在凹陷结构纤维表面运动速度大于在圆锥纤维表面的运动速度后,在第三章中对液体在不同纤维表面运动过程中的受力情况以及结构对液体运动速度的影响进行了分析,最终建立了相应的机理模型,并将超快速定向输运扩展为输运其它液体。在实验中,我们在显微镜下仔细观察硅油在凹陷棱锥纤维和圆锥纤维表面的运动过程,发现硅油在凹陷棱锥纤维表面运动时前驱液膜的长度比在圆锥纤维表面前驱液膜长,而且液体前端弯月面形状也存在明显的差异。在凹陷棱锥纤维表面,液体前端弯月面呈现“∩”形状,而在圆锥纤维表面液体的前端弯月面相反,呈现“∪”形状。为了探究结构对液体运动的影响,我们将凹陷棱锥纤维和圆锥纤维简化为四种结构(四边形,凹陷四边形,三角形以及凹陷三角形),将四种样品与硅油接触,测量与对比硅油在四种样品表面上升高度。结果表明液体在凹陷三角形表面上升高度最大,说明在凹陷结构产生的毛细力和锥形结构产生的拉普拉斯压力的协同作用下,液体运动速度最快。最后,我们尝试探究相关应用,希望在雾水收集,微流体以及快速检测方面有所突破。
【学位单位】：河南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：O647.1;TQ340.1
【部分图文】：

、 、 分别为固-气、固-液、气-液界面的界面张力。 为平衡状态下的接触角。图1-1 接触角示意图（图片来源于参考文献[35]）接触角大小可以直观地反映液滴对固体表面的浸润程度。根据接触角大小，可将液体对固体表面的浸润状态分为以下几种类型（通常以 θ=90°为界限）[49, 50]，当 θ<90°时，液体能够润湿固体表面，此时固体表面可以认为是亲液表面，其中 θ<10°时，液体在固体表面完全浸润，此时的固体表面为超亲液表面；当 θ>90°时，液体不易在固体表面铺展

Wenzel 方程和 Cassie 方程中提到的 Young 氏方程仅仅适用于理想的均匀固体表面[36, 48]，在实光滑平面是不存在的，固体表面都会存在粗糙结构，此时需要考虑固润性的影响。目前，普遍用 Wenzel 方程和 Cassie 方程来解释表面粗系[35, 56]，如图 1-2 所示。

血和包扎的医用纤维，织物的洗涤与去污，碳纳米管的、线材料, 58-66]。前面我们已经提到，固体表面的浸润性是由表面的化学成但是，纤维表面是一类特殊的固体表面，由于纤维表面曲率的存普通固体表面的浸润性。滴在纤维上的形态材料直径和化学成分都相同时（纤维表现为各向同性），液体滴两种形态的转变，即桶形液滴和蛤壳形液滴[67-70]，如图 1-3 所示
【参考文献】

相关期刊论文 前1条

1 任学藻;柱形管的毛细现象[J];大学物理;2005年07期

本文编号：2890224