發(fā)布時間：2020-11-19 16:28

　　 液體的定向輸運在日常生產(chǎn)和生活中有著廣泛的應用,比如霧水收集、油水分離,微流體以及過濾等。實現(xiàn)定向輸運的體系有多種,其中,錐形纖維由于具有自發(fā)驅(qū)動液體定向運動的特征,而成為定向輸運研究的一個理想體系。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時運動速度較小,運動距離短,同時在運動過程中會有液體體積的損耗,達不到一個高效率的收集和利用。因此,如何利用錐形纖維自驅(qū)動的獨特功能實現(xiàn)液體的超快速定向輸運,仍然是目前亟待解決的問題。受錐形纖維收集與定向輸運液滴的啟發(fā),本論文通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)、引進新的驅(qū)動因素,設(shè)計了具有凹陷結(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)生的毛細力的協(xié)同作用,實現(xiàn)液體的超快速定向輸運。同時根據(jù)引入不同數(shù)量的凹陷結(jié)構(gòu),計算并對比液體在不同纖維表面定向輸運的速度。最后,對液體在不同纖維表面定向輸運過程進行受力分析,探究和驗證液體定向輸運的機理,最終建立相應的機理模型。該研究對發(fā)展簡單、高效、低成本的定向輸運體系具有重要的理論和實踐意義。本文的主要工作包括以下兩個部分:1.液體在凹陷纖維表面的超快速定向輸運復形得到四種纖維結(jié)構(gòu),通過對四種纖維表面形貌和截面形貌的表征,繪制了復形過程機理圖。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動過程。當液體在纖維表面從尖端定向運動到底端時,液體在圓錐、凹陷三棱錐、凹陷四棱錐和凹陷五棱錐上運動速度分別是: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動速度大于液體在圓錐纖維表面的運動速度。其中液體在凹陷三棱錐纖維表面運動速度最大,為28.79 mm/s,是液體在圓錐纖維表面運動速度的30倍左右。嘗試將纖維表面潤濕,再次計算液體在濕潤纖維表面運動速度,發(fā)現(xiàn)液體在濕潤纖維表面運動速度比在干燥纖維表面運動速度大,在濕潤纖維表面液體運動速度同樣遵循凹陷棱錐纖維表面運動速度大于在圓錐纖維表面運動速度這一規(guī)律,而且液體在凹陷三棱錐表面運動速度最大可以達到47.34 mm/s。這一實驗結(jié)論為液體的超快速定向輸運提供了一種新的思路。2.超快速定向輸運機理的探究及應用在第二章中證明了液體在凹陷結(jié)構(gòu)纖維表面運動速度大于在圓錐纖維表面的運動速度后,在第三章中對液體在不同纖維表面運動過程中的受力情況以及結(jié)構(gòu)對液體運動速度的影響進行了分析,最終建立了相應的機理模型,并將超快速定向輸運擴展為輸運其它液體。在實驗中,我們在顯微鏡下仔細觀察硅油在凹陷棱錐纖維和圓錐纖維表面的運動過程,發(fā)現(xiàn)硅油在凹陷棱錐纖維表面運動時前驅(qū)液膜的長度比在圓錐纖維表面前驅(qū)液膜長,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)對液體運動的影響,我們將凹陷棱錐纖維和圓錐纖維簡化為四種結(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,測量與對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,說明在凹陷結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的毛細力和錐形結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的拉普拉斯壓力的協(xié)同作用下,液體運動速度最快。最后,我們嘗試探究相關(guān)應用,希望在霧水收集,微流體以及快速檢測方面有所突破。
【學位單位】：河南大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：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（圖片來源于參考文獻[35]）接觸角大小可以直觀地反映液滴對固體表面的浸潤程度。根據(jù)接觸角大小，可將液體對固體表面的浸潤狀態(tài)分為以下幾種類型（通常以 θ=90°為界限）[49, 50]，當 θ<90°時，液體能夠潤濕固體表面，此時固體表面可以認為是親液表面，其中 θ<10°時，液體在固體表面完全浸潤，此時的固體表面為超親液表面；當 θ>90°時，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]，在實光滑平面是不存在的，固體表面都會存在粗糙結(jié)構(gòu)，此時需要考慮固潤性的影響。目前，普遍用 Wenzel 方程和 Cassie 方程來解釋表面粗系[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，固體表面的浸潤性是由表面的化學成但是，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性。滴在纖維上的形態(tài)材料直徑和化學成分都相同時（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】

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1 任學藻;柱形管的毛細現(xiàn)象[J];大學物理;2005年07期

本文編號：2890224