【摘要】：超親水表面是一種極端潤濕性表面,具有超浸潤的特點(diǎn)。超親水表面在自清潔、防霧、油水分離、高負(fù)液體運(yùn)輸、血液相容材料、骨親和性材料等方面具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。在超親水表面的研究中,大自然中存在的天然超親水表面給我們無數(shù)啟示。研究表明,泥炭蘚是一種具有超親水表面的植物,但現(xiàn)有研究尚未對其親水性進(jìn)行系統(tǒng)性研究。因此,本文將泥炭蘚這種天然的超親水植物作為研究對象,對泥炭蘚葉片的結(jié)構(gòu)、微觀形貌和表面化學(xué)成分進(jìn)行表征,并通過高速相機(jī)對液體在泥炭蘚表面的潤濕性能進(jìn)行深入研究。首先,本文對泥炭蘚最大吸水質(zhì)量,吸水速度,失水速度,失水率進(jìn)行研究,結(jié)果表明泥炭蘚植物的最大吸水質(zhì)量是其干燥質(zhì)量的22.5倍;同時(shí),本文對泥炭蘚吸水質(zhì)量和吸水速率與時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)吸水質(zhì)量與時(shí)間具有m_(absorb)=alnt_(absorb)+b的自然對數(shù)函數(shù)關(guān)系,吸水速率與時(shí)間符合v_(absorb)=at~b_(absorb)冪函數(shù)關(guān)系。然后,本文對泥炭蘚微觀形貌進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)泥炭蘚葉片主要呈半葫蘆狀,葉片前部較尖銳,葉片中后部漸寬,葉片外突,葉片內(nèi)部可以儲存大量水分。由于泥炭蘚葉片由單層中空細(xì)胞組成,我們采用分形維數(shù)、表面粗糙度等參數(shù)對泥炭蘚表面的結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行表征,建立泥炭蘚植物三維模型,進(jìn)而計(jì)算出泥炭蘚葉片的最大吸水量和孔隙率等性能指標(biāo)。本文通過高速攝像觀察,研究液體在泥炭蘚植物中的鋪展過程,分析了液體的表面張力、粘度對其在泥炭蘚表面鋪展距離和鋪展速度的影響,推導(dǎo)了泥炭蘚莖葉的鋪展方程。同時(shí),根據(jù)傳統(tǒng)的超親水表面潤濕理論,本文修正了泥炭蘚葉片的接觸角方程,發(fā)現(xiàn)中空細(xì)胞表面的粗糙結(jié)構(gòu)與中空細(xì)胞內(nèi)部高孔隙率共同作用是泥炭蘚葉片表面具有超親水性的重要原因。本文對液體在泥炭蘚葉片中空細(xì)胞內(nèi)的鋪展過程進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)泥炭蘚葉片中空細(xì)胞內(nèi)壁并不光滑,由骨架將細(xì)胞整體分割成諸多隔間,液體在中空細(xì)胞內(nèi)部的流動過程是依次填充每一個(gè)隔間,根據(jù)數(shù)據(jù)測量擬合得出,鋪展距離與時(shí)間的關(guān)系是l_(spread)=202t~(0.53)_(spread),鋪展速度方程是v_(spread)=107t~(-0.47)_(spread)。本文觀測了在霧天環(huán)境下泥炭蘚吸取霧水的宏觀/微觀過程,通過實(shí)際觀察可以發(fā)現(xiàn),在吸取霧水的前期,泥炭蘚葉片中空細(xì)胞間的突起結(jié)構(gòu)可以擴(kuò)大霧水與泥炭蘚葉片表面的真實(shí)接觸面積,使得泥炭蘚葉片表面能更快吸收更多霧水,隨著霧水吸取量的增加,泥炭蘚葉片中空細(xì)胞以及葉片內(nèi)部空間均被霧水填充,以滿足泥炭蘚對于水分的需求。最后,本文為探究泥炭蘚吸收落雨的過程,對下落液滴與泥炭蘚莖葉的相互作用進(jìn)行研究。研究表明,泥炭蘚莖葉的彈性會提高水滴撞擊后的臨界分離速度,可使泥炭蘚莖葉吸收下落速度較快的液滴,使泥炭蘚植物在雨天環(huán)境中吸收更多的雨水。
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O647.5
【圖文】：

博士學(xué)位論文的論文從數(shù)量上遠(yuǎn)大于研究超親水的論文數(shù)量，從發(fā)表論文的時(shí)間上看，超疏水的研究論文早在 1999 年之前就有諸多論文開始對于超疏水這一現(xiàn)象進(jìn)行研究，而超親水的研究論文在 2007 年后才有較多研究論文�？梢姡噍^于超疏水表面的研究，超親水表面無論是從理論、制備和應(yīng)用上都缺乏較為系統(tǒng)性的研究。但是由于超親水表面具有超浸潤的特點(diǎn)，使得超親水表面在自清潔、防霧、油水分離、高負(fù)液體運(yùn)輸、血液相容材料、骨親和性材料等方面具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值，例如：玻璃防污，設(shè)備防霧，油水分離材料和醫(yī)療植入性材料等。

圖 1-2 Young's 接觸角示意圖Figure.1-2 Schematic diagram of Young's contact angle面接觸角模型光滑的超親水表面并不多，大部分的超親水現(xiàn)象主要據(jù)表面類型的不同，超親水表面的接觸角模型也隨面的超親水接觸角模型Young 理論模型基礎(chǔ)上，為了解決 Young’s 方程無法題，首次引入粗糙度評估表面潤濕性，提出了粗糙固的 Wenzel 理論模型[16]。在 Wenzel 理論模型中，假設(shè)糙結(jié)構(gòu)，在液體下方形成均勻得固-液界面（即 We態(tài)下，實(shí)際固-液接觸面積大于幾何投影面積，通常面粗糙因子。Wenzel 利用表面粗糙度因子：將粗糙固表面的潤濕性結(jié)合起來，推導(dǎo)出經(jīng)典的 Wenzel 理論cosθw=r*×cosθY

圖 1-3 泥炭蘚(a)和松蘿鳳梨(b)的微觀形貌[19]Figure.1-3 Morphology of sphagnum sphagnum (a) and pineapple (b)[19]蛤蜊上體現(xiàn)殼內(nèi)表面可分為 2 個(gè)區(qū)域，一是邊緣光滑區(qū)域（如圖 1-4(a)中的區(qū)域 1），二是大腦皮層覆蓋區(qū)域（如圖 1-4 (a)中的區(qū)域 2），這兩個(gè)區(qū)域的分界線是外套線（大腦皮層的肌痕）。2012 年 ShutaoWang 等人對蛤蜊殼內(nèi)表面的水下油潤濕性進(jìn)行了研究[21]。當(dāng)蛤蜊殼內(nèi)表面經(jīng)去離子水沖洗、原油浸泡后，區(qū)域1 被原油污染，而區(qū)域 2 依然十分干凈（如圖 1-4 (b)所示），表明區(qū)域 2 具有十分優(yōu)異的水下超疏油性。區(qū)域 1 和 2 顯示不同水下油潤濕性的原因并不是表面化學(xué)成分的不同（主要成分均是親水的無機(jī) CaCO3），而是因?yàn)楸砻嫖⒂^結(jié)構(gòu)的極大差異。圖 1-4 (c)-(f)分別為區(qū)域 1 和 2 的表面 SEM 照片和 AFM 照片：在區(qū)域1，微米級葉狀薄片以特別小的傾斜角度緊挨在一起，形成的形貌較光滑（如圖1-4(c)所示），表面粗糙度僅為 76.4±10.2 nm（波動范圍僅 100 nm，如圖 1-4 (e)所示）；而在區(qū)域 2，微米級不規(guī)則的塊狀結(jié)構(gòu)無序地堆放在一起，在微米級塊狀結(jié)構(gòu)的表面還分布納米級結(jié)構(gòu)，形成的形貌非常粗糙（如圖 1-4(d)所示）表面粗糙度是 137.5±32.8 nm，而波動范圍達(dá) 700 nm。區(qū)域 2 的微觀粗糙結(jié)構(gòu)可使表面

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2796728