平行板流动小室预测微胶囊在特定表面的吸附性能

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包覆各种香精油的微胶囊,运用到日化洗涤产品中时,其在目标接触表面的负载和保留对微胶囊效能的发挥至关重要,而微胶囊在目标接触表面的负载和保留与微胶囊的吸附性能联系紧密。因此,对微胶囊在特定表面的吸附性能进行研究具有重要的实际意义。平行板流动小室装置(PPFC)设计简单、操作灵活、成本低廉、兼容性好,经常被用于表征微颗粒(微球、细胞)在特定表面的吸附性能。但是,平行板流动小室装置表征颗粒在特定表面的吸附性能基本上都是通过统计保留面积或者是保留颗粒数量间接进行的,目前还没有直接利用平行板流动小室装置预测微观颗粒在特定表面吸附力的报道。如果能够将平行板流动小室直接用于计算微观颗粒在特定表面的吸附力,将会为微观世界吸附力的表征开辟一种更加高效的途径。基于此目的,本课题首先制备了三聚氰胺甲醛水杨酸己酯(HS-MF)微胶囊作为研究对象,并自行设计和组装平行板流动小室装置,然后利用制备的平行板流动小室装置(PPFC)研究了微胶囊在玻璃板表面的吸附性能,验证了该装置统计微胶囊颗粒在目标接触表面(玻璃片)吸附性能的可行性,并研究了相关的影响因素对微胶囊保留情况的影响规律;基于PPFC中微胶囊的受力分析和其在PPFC流动腔内可能被移除的作用机制建立了计算微胶囊在特定表面吸附力的数学模型;利用数学模型预测了微胶囊被流体冲走的作用机理,以及相关参数对临界半径和临界界面吸附能的影响规律;最后通过设计实验获得微胶囊被移除时的临界流速和空间位置,结合微胶囊的半径和其他参数,计算得到了单个微胶囊颗粒在玻璃片表面的吸附力。主要结论如下:1、以水杨酸己酯作为香精油芯材物质的代表,三聚氰胺甲醛树脂作为壁材,采用原位聚合法成功制备了三聚氰胺甲醛水杨酸己酯微胶囊。制备得到的微胶囊球形饱满,湿态下粒径主要集中在50μm以下,干态观测到的粒径集中在510μm。FTIR、UV和TG测试进一步验证了芯材水杨酸己酯被三聚氰胺甲醛树脂成功包覆。2、通过统计微胶囊颗粒在平行板流动小室中被水流作用之前和之后的保留面积,验证了实验室设计自组装的平行板流动小室可以用来统计表征微胶囊在玻璃片表面的吸附行为。针对本论文中采用的微胶囊和玻璃板研究吸附性能时,合适的微胶囊浓度范围为0.30 wt.%0.50 wt.%,沉降时间为10min;水流流速范围在30 ml/h100ml/h(3.70×10-33 m/s1.23×10-2 m/s)之间,水流作用时间为3min。3、基于作用在平行板流动小室腔体中微胶囊颗粒的受力(重力、浮力、吸附力,作用于接触面上的摩擦力)情况,结合微胶囊颗粒在流体作用下可能被移动的作用机理(提升作用、滑动作用、滚动作用),建立了微胶囊在提升作用、滑动作用和滚动作用下的力或扭矩平衡关系式,从而得到了计算微胶囊颗粒在目标接触表面吸附力的数学模型。4、利用建立的数学模型,结合相关的参数,通过Matlab软件计算确定了平行板流动小室中微胶囊从底板被移动的作用机理为滚动;并且被移动的微胶囊的临界半径和临界界面吸附能与微胶囊在平行板流动小室中所处的空间位置、颗粒的密度、流体流速,静摩擦系数(滑动作用时)等因素密切相关。5、通过设计实验,得到了单个微胶囊颗粒在玻璃板表面被流体作用带走时的临界流速、空间位置,并结合微胶囊的半径及其他相关参数,带入建立的数学模型,计算得到了单个微胶囊颗粒在玻璃板表面的吸附力。在水溶液环境中微胶囊与玻璃板的吸附力为1.60n N13.99n N,得到的吸附力数值与文献研究中的结果处于同一数量级,因此说明基于平行板流动小室装置建立的预测微观颗粒吸附力的数学模型较为准确可靠,可用于微观世界研究颗粒与特定表面的吸附力。
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