發(fā)布時(shí)間：2020-11-19 16:28

　　 液體的定向輸運(yùn)在日常生產(chǎn)和生活中有著廣泛的應(yīng)用,比如霧水收集、油水分離,微流體以及過(guò)濾等。實(shí)現(xiàn)定向輸運(yùn)的體系有多種,其中,錐形纖維由于具有自發(fā)驅(qū)動(dòng)液體定向運(yùn)動(dòng)的特征,而成為定向輸運(yùn)研究的一個(gè)理想體系。然而,目前的研究只是局限在圓錐纖維表面,而且液體在圓錐纖維表面定向輸運(yùn)時(shí)運(yùn)動(dòng)速度較小,運(yùn)動(dòng)距離短,同時(shí)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)有液體體積的損耗,達(dá)不到一個(gè)高效率的收集和利用。因此,如何利用錐形纖維自驅(qū)動(dòng)的獨(dú)特功能實(shí)現(xiàn)液體的超快速定向輸運(yùn),仍然是目前亟待解決的問(wèn)題。受錐形纖維收集與定向輸運(yùn)液滴的啟發(fā),本論文通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)、引進(jìn)新的驅(qū)動(dòng)因素,設(shè)計(jì)了具有凹陷結(jié)構(gòu)的錐形纖維,利用錐形結(jié)構(gòu)梯度產(chǎn)生的拉普拉斯壓力和凹陷結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的毛細(xì)力的協(xié)同作用,實(shí)現(xiàn)液體的超快速定向輸運(yùn)。同時(shí)根據(jù)引入不同數(shù)量的凹陷結(jié)構(gòu),計(jì)算并對(duì)比液體在不同纖維表面定向輸運(yùn)的速度。最后,對(duì)液體在不同纖維表面定向輸運(yùn)過(guò)程進(jìn)行受力分析,探究和驗(yàn)證液體定向輸運(yùn)的機(jī)理,最終建立相應(yīng)的機(jī)理模型。該研究對(duì)發(fā)展簡(jiǎn)單、高效、低成本的定向輸運(yùn)體系具有重要的理論和實(shí)踐意義。本文的主要工作包括以下兩個(gè)部分:1.液體在凹陷纖維表面的超快速定向輸運(yùn)復(fù)形得到四種纖維結(jié)構(gòu),通過(guò)對(duì)四種纖維表面形貌和截面形貌的表征,繪制了復(fù)形過(guò)程機(jī)理圖。將得到的四種纖維表面親水處理后水平放置,使用靜態(tài)接觸角儀器在纖維尖端滴加0.05μL去離子水,觀察液體在四種纖維表面運(yùn)動(dòng)過(guò)程。當(dāng)液體在纖維表面從尖端定向運(yùn)動(dòng)到底端時(shí),液體在圓錐、凹陷三棱錐、凹陷四棱錐和凹陷五棱錐上運(yùn)動(dòng)速度分別是:0.97 mm/s,28.79 mm/s,14.43 mm/s,8.78 mm/s。結(jié)果表明液體在凹陷棱錐纖維表面運(yùn)動(dòng)速度大于液體在圓錐纖維表面的運(yùn)動(dòng)速度。其中液體在凹陷三棱錐纖維表面運(yùn)動(dòng)速度最大,為28.79 mm/s,是液體在圓錐纖維表面運(yùn)動(dòng)速度的30倍左右。嘗試將纖維表面潤(rùn)濕,再次計(jì)算液體在濕潤(rùn)纖維表面運(yùn)動(dòng)速度,發(fā)現(xiàn)液體在濕潤(rùn)纖維表面運(yùn)動(dòng)速度比在干燥纖維表面運(yùn)動(dòng)速度大,在濕潤(rùn)纖維表面液體運(yùn)動(dòng)速度同樣遵循凹陷棱錐纖維表面運(yùn)動(dòng)速度大于在圓錐纖維表面運(yùn)動(dòng)速度這一規(guī)律,而且液體在凹陷三棱錐表面運(yùn)動(dòng)速度最大可以達(dá)到47.34 mm/s。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)論為液體的超快速定向輸運(yùn)提供了一種新的思路。2.超快速定向輸運(yùn)機(jī)理的探究及應(yīng)用在第二章中證明了液體在凹陷結(jié)構(gòu)纖維表面運(yùn)動(dòng)速度大于在圓錐纖維表面的運(yùn)動(dòng)速度后,在第三章中對(duì)液體在不同纖維表面運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的受力情況以及結(jié)構(gòu)對(duì)液體運(yùn)動(dòng)速度的影響進(jìn)行了分析,最終建立了相應(yīng)的機(jī)理模型,并將超快速定向輸運(yùn)擴(kuò)展為輸運(yùn)其它液體。在實(shí)驗(yàn)中,我們?cè)陲@微鏡下仔細(xì)觀察硅油在凹陷棱錐纖維和圓錐纖維表面的運(yùn)動(dòng)過(guò)程,發(fā)現(xiàn)硅油在凹陷棱錐纖維表面運(yùn)動(dòng)時(shí)前驅(qū)液膜的長(zhǎng)度比在圓錐纖維表面前驅(qū)液膜長(zhǎng),而且液體前端彎月面形狀也存在明顯的差異。在凹陷棱錐纖維表面,液體前端彎月面呈現(xiàn)“∩”形狀,而在圓錐纖維表面液體的前端彎月面相反,呈現(xiàn)“∪”形狀。為了探究結(jié)構(gòu)對(duì)液體運(yùn)動(dòng)的影響,我們將凹陷棱錐纖維和圓錐纖維簡(jiǎn)化為四種結(jié)構(gòu)(四邊形,凹陷四邊形,三角形以及凹陷三角形),將四種樣品與硅油接觸,測(cè)量與對(duì)比硅油在四種樣品表面上升高度。結(jié)果表明液體在凹陷三角形表面上升高度最大,說(shuō)明在凹陷結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的毛細(xì)力和錐形結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的拉普拉斯壓力的協(xié)同作用下,液體運(yùn)動(dòng)速度最快。最后,我們嘗試探究相關(guān)應(yīng)用,希望在霧水收集,微流體以及快速檢測(cè)方面有所突破。
【學(xué)位單位】：河南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：O647.1;TQ340.1
【部分圖文】：

、 、 分別為固-氣、固-液、氣-液界面的界面張力。 為平衡狀態(tài)下的接觸角。圖1-1 接觸角示意圖（圖片來(lái)源于參考文獻(xiàn)[35]）接觸角大小可以直觀地反映液滴對(duì)固體表面的浸潤(rùn)程度。根據(jù)接觸角大小，可將液體對(duì)固體表面的浸潤(rùn)狀態(tài)分為以下幾種類型（通常以 θ=90°為界限）[49, 50]，當(dāng) θ<90°時(shí)，液體能夠潤(rùn)濕固體表面，此時(shí)固體表面可以認(rèn)為是親液表面，其中 θ<10°時(shí)，液體在固體表面完全浸潤(rùn)，此時(shí)的固體表面為超親液表面；當(dāng) θ>90°時(shí)，液體不易在固體表面鋪展

Wenzel 方程和 Cassie 方程中提到的 Young 氏方程僅僅適用于理想的均勻固體表面[36, 48]，在實(shí)光滑平面是不存在的，固體表面都會(huì)存在粗糙結(jié)構(gòu)，此時(shí)需要考慮固潤(rùn)性的影響。目前，普遍用 Wenzel 方程和 Cassie 方程來(lái)解釋表面粗系[35, 56]，如圖 1-2 所示。

血和包扎的醫(yī)用纖維，織物的洗滌與去污，碳納米管的、線材料, 58-66]。前面我們已經(jīng)提到，固體表面的浸潤(rùn)性是由表面的化學(xué)成但是，纖維表面是一類特殊的固體表面，由于纖維表面曲率的存普通固體表面的浸潤(rùn)性。滴在纖維上的形態(tài)材料直徑和化學(xué)成分都相同時(shí)（纖維表現(xiàn)為各向同性），液體滴兩種形態(tài)的轉(zhuǎn)變，即桶形液滴和蛤殼形液滴[67-70]，如圖 1-3 所示
【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 任學(xué)藻;柱形管的毛細(xì)現(xiàn)象[J];大學(xué)物理;2005年07期

本文編號(hào)：2890224