离子浓度对聚苯乙烯表面纳米气泡影响的研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:thonny007
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固液界面的流体阻力一直是微纳米技术在生命科学、医学等领域应用时的重要问题,减小液体在固体通道内流动时的阻力对于微纳技术的应用至关重要,因此研究如何减小微纳尺度下固液界面的相对运动阻力是当今微纳技术领域的热门研究方向之一。  随着原子力显微镜(AFM,Atomic Force Microscope)的发明及其在微纳米科学技术中的应用,研究人员在水溶液中的疏水表面上发现了纳米气泡的存在。表面纳米气泡的存在被认为是影响固液界面流体阻力的重要因素,因此研究固液界面纳米气泡的形成和性质是研究如何减小微纳管道中固液界面流体阻力的主要方向之一。  影响疏水表面纳米气泡形成和性质的因素有很多,样品表面的润湿性、表面粗糙度、温度、溶液的离子浓度和PH值以及外加电场,这些都会影响纳米气泡的形成、形态、尺寸、分布以及稳定性。本文主要研究的是离子浓度对于聚苯乙烯表面纳米气泡形成和性质的影响。主要研究内容包括以下三个方面:  首先,通过对电润湿张力模型的建立,找到了疏水材料聚苯乙烯表面纳米气泡的接触角与固液界面和气液界面表面电荷密度的关系。研究发现,电润湿张力与表面电荷呈负相关,即气液界面和固液界面的表面电荷密度越大,相应的电润湿张力越小,而电润湿张力与纳米气泡的接触角也成负相关,即随着电润湿张力的减小,纳米气泡的接触角反而会增大。溶液的离子浓度会直接影响固液界面和气液界面的表面电荷密度的大小,溶液的离子浓度越大,相应的表面电荷密度也越大。因此随着离子浓度的增大,表面纳米气泡接触角也会增大。  其次,通过原子力显微镜(AFM)研究了不同离子浓度对聚苯乙烯表面纳米气泡尺寸和大小的影响。通过对不同浓度的NaCl溶液中聚苯乙烯表面进行AFM成像,发现聚苯乙烯表面的纳米气泡覆盖比例基本不变,纳米气泡的平均直径都会随着溶液离子浓度的增大而增大,而气泡数量则会随着溶液浓度的增加而减小。将离子浓度对于表面纳米气泡的影响转化为离子浓度对于溶液电场分布的影响,再通过分析电场的改变对于纳米气泡的影响来得到溶液离子浓度与表面纳米气泡尺寸及分布的关系。  最后,利用AFM研究了聚苯乙烯表面纳米气泡的稳定性。研究结果表面,表面纳米气泡是动力学稳定的,并且固液接触面是不透气的。通过力调制实验进一步证明了纳米气泡表面有覆盖层存在。溶液中的离子作为杂质对于杂质薄膜的形成起到了关键性的作用。表面纳米气泡的动力学稳定性是由于接触面特殊的杂质薄膜,该结构使气液界面存在着巨大的扩散阻力。  综上所述,本文系统的研究了离子浓度对于疏水材料聚苯乙烯表面纳米气泡形成和性质的影响。为研究减小微纳管道中的流体阻力提供了一个新的方向和思路。
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