固体微颗粒粘附与清除的机理及表面保洁技术的研究

摘要

空气中大量的微颗粒物不仅造成污染环境，引起各种疾病，还会粘附于各种物体表面，对日常生活和工业生产造成危害，因此开展固体表面防尘保洁研究具有重要理论价值与实际意义。论文采用理论分析和实验研究相结合方法，研究了微颗粒沉降规律、微颗粒粘附机理和微颗粒清除等方面内容，主要研究内容与结论如下：
　　 1)文献检索发现：微颗粒研究领域主要分为清洁技术、机理研究、仪器设计、实验测试、保洁技术等几个方面，其中清洁技术所占总数比重最大，机理研究较少。其次，表面保洁防尘多以TiO2催化氧化技术研究为主，表面防尘技术研究很少。其中机理研究多以经典接触力学为基础，在微/纳机电系统(MEMS/NEMS)和半导体工业方面得到较快发展，但在固体表面防尘保洁方面尚处于研究初期阶段。
　　 2)系统研究了微颗粒粘附固体表面的各种作用力，讨论了范德华力、表面张力、静电力和Casimir力物理粘附机理。建立了四种不同情况下微颗粒粘附表面复合力学模型，其考虑的主要影响因素包括：表面吸附层、接触变形、吸附水、粗糙接触面以及表面活性剂等情况，并详细给出了具体的数学计算表达式。
　　 3)微颗粒自然沉降粘附实验发现：水平放置瓷砖片30d后，表面沉降粘附微颗粒粒径主要集中在20～80μm，小于0.5μm或大于100μm的微颗粒含量很少。对比水平放置载玻片发现：采样时间1d的载玻片表面微颗粒粒径主要集中在10～40μm，说明微颗粒粒径分布随采样时间增加有增大趋势。当采样时间相同、放置位置与水平面夹角不同时，随着夹角的增加粒径却在变小，如采样时间10d时，最大粒径变化趋势为：140μm→100μm→80μm，夹角为0°和45°时粒径主要集中在10～40μm，90°时为10～30μm。微颗粒平均粒径与放置夹角、采样时间没有明显关系，但是最大粒径、微颗粒总面积、总周长与遮光比随采样时间不断增大，在10d内变化不太明显，在10d～30d时有较大变化，并严格与采样时间成正比、与放置夹角成反比，说明随着采样时间延长，微颗粒开始由单个个体向微颗粒团变化，出现物理、化学结团现象。
　　 4)预处理载玻片表面粘附微颗粒实验发现：除个别情况外，不同试剂预处理表面在1d～5d时，大部分表面粘附的微颗粒质量增量比较明显，在5d～10d时，表面粘附的微颗粒质量明显减少。对于十二烷基苯磺酸钠和吐温60预处理试剂而言，其表面粘附微颗粒质量大小依次为：5.0％＞1.0％＞0.5％；而洗衣液预处理表面粘附微颗粒质量大小依次为：0.5％＞5.0％＞1.0％，说明不同浓度试剂预处理表面与微颗粒粘附作用是具有差别的，对于十二烷基苯磺酸钠和吐温60来说，在质量浓度达到5.0％之前，其试剂浓度越高，表面粘附耦合作用效果越好，表面粘附微颗粒质量越大。
　　 5)预处理载玻片表面粘附微颗粒实验发现：洗衣液预处理表面粘附微颗粒质量在5d～10d不增反降，可能原因为：a)5d时表面粘附微颗粒接近最大值，在空气运动及微颗粒间相互作用下使得一些微颗粒脱落；b)不同试剂预处理表面的物理化学性质不同，在一定浓度条件下，随着表面粘附微颗粒质量超过某一值后，其粘附微颗粒能力会有所下降。
　　 6)预处理载玻片表面粘附微颗粒实验发现：表面粘附微颗粒数量清除率受采样时间和放置夹角影响较小，整体数量清除率稳定在80％～100％，其中0.5％吐温60，5.0％吐温60和0.5％洗衣液变化比较明显。
　　 7)预处理载玻片表面粘附微颗粒实验发现：整体而言微颗粒粒径与采样时间、放置夹角和试剂浓度没有明显规律，其中5.0％吐温60和5.0％十二烷基苯磺酸钠试剂预处理表面微颗粒粒径随采样时间的增加而增加，而未处理表面则随采样时间增加而减少。从粒径大小分布来看：0.5％十二烷基苯磺酸钠与0.5％氟碳复合试剂、0.5％吐温60与0.5％氟碳复合试剂、未处理表面微颗粒粒径最小(2～3μm)，吐温60粒径最大(4～5μm)。
　　 8)预处理载玻片表面粘附微颗粒实验发现：清洗前后不同试剂预处理表面粘附微颗粒粒径大小变化不太明显，但大部分具有变小的趋势，平均值为3.285μm。对于单一试剂（十二烷基苯磺酸钠、吐温60、洗衣液）预处理表面粘附微颗粒粒径有一定减小趋势(≈1μm)，而对于复合试剂（0.5％十二烷基苯磺酸钠与0.5％氟碳、0.5％吐温60与0.5％氟碳）则微颗粒粒径没有明显变化。
　　 9)全面总结了固体表面清洗作用力，分析了几种常见表面物理清洗技术的清除作用机理，从疏水性、外力作用与微颗粒清除运动方式三个方面研究了物理清除机理，并对表面活性剂的化学清除机理进行了讨论。