基于表面力仪对微弱表面力及纳米水膜吸附特性的研究

摘要

自然界中固腋、固/固界面的性质影响许多物理与化学现象，例如电泳、摩擦、聚结、絮凝以及胶体粒子分布等。尤其，电解质溶液中固液界面的性质在胶体科学、生命科学、纳米摩擦等科学领域起着至关重要的作用。本文利用表面力仪(surface forces apparatus，SFA)对高价电解质溶液中云母表面间作用力、纳米级厚度的水膜及有机溶剂分子膜的吸附特性、电荷倒置等目前界面科学中的热点问题进行实验研究。同时，对SFA系统进行改进，包括结构优化和增加了温湿度控制的新功能等。
　　本文主要工作如下:首先，由于近年以来针对纳米级薄膜吸附在固体表面的研究成为热点。我们对原有SFA2000进行改进，增添了加湿器、恒温恒湿箱、循环泵、湿度传感器等装置，使之能够实现SFA腔内湿度的实时控制，相对湿度的控制范围为5％到80％，精度可达±1％。这些改进使得SFA系统可以实现对纳米级厚度薄膜的研究。
　　其次，为了深入研究吸附薄膜对云母表面性质的影响，我们利用改进后的SFA测量了云母表面吸附水膜厚度与时间及相对湿度的关系。并且对吸附水膜后云母表面在三价LaCl3溶液中的界面现象进行了研究，包括云母表面电性的变化、电荷倒置现象的产生、德拜长度的变化、云母间双电层力势垒的变化以及溶液中pH值对实验的影响。研究结果表明，随着溶液中La3+离子浓度的增大，云母表面电性从带负电变为正电，当溶液浓度10-6 mol/L左右时表面间的相互作用力绝对值最小，出现了电荷倒置现象。水膜厚度小于6(A)时，随着距离的增大，表面间的作用力呈指数衰减。厚度大于8(A)时，在扩散层(表面间距离＞15nm)作用力随着距离增大呈指数衰减，减小溶液pH值会减弱电荷倒置。
　　最后，针对现有SFA实验中出现的问题进行了结构优化，通过在下支撑上加入套筒等元件大大节省了溶液的用量，避免高浓度盐溶液腐蚀SFA内腔。而且每次实验结束后，只需清洗套筒和上下支撑，不必将SFA与溶液接触的所有零件拆卸并清洗，在一定程度上保证了设备零件的清洁度，提高了实验效率。
　　本文工作为系统研究纳米级厚度薄面形成的固液界面性质提供了实验条件和初步的实验结论，为以后纳米级厚度薄膜研究的全面开展与应用提供了必要的条件。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 研究现状

1．2．1 基础理论研究现状

1．2．2 SFA研究现状

1．2．3 溶液中表面力的研究现状

1．2．4 纳米水膜特性的研究现状

1．3 本文研究目的及研究内容

1．3．1 研究目的

1．3．2 主要研究内容

第二章 DLVO力理论基础介绍

2．1 经典DLVO理论介绍

2．2 胶体粒子、表面间的范德华引力

2．3 胶体粒子、表面间的双电层斥力

2．3．1 双电层理论

2．3．2 泊松—波尔兹曼方程求解

2．4 相关理论介绍

2．4．1 相关理论公式推导

2．4．2 新边界条件及溶液中的离子分布

2．4 本章小结

第三章 表面力仪实验原理及实验过程

3．1 表面力仪的基本结构

3．2 表面力仪测量原理

3．2．1 四种运动控制方式及测力原理

3．2．2 距离测量原理

3．2．3 表面间距离公式简化

3．3 表面力仪系统的改进

3．3．1 湿度控制方法

3．3．2 结构改进设计

3．4 实验工艺过程

3．4．1 实验材料准备

3．4．2 贴云母及调光路过程

3．4．3 表面力仪钝化

3．5 本章小结

第四章 实验结果分析与讨论

4．1 云母表面吸附水膜、酒精膜的特性研究

4．1．1 纳米水膜特性研究实验过程及结果讨论

4．1．2 纳米酒精膜特性研究实验过程及结果讨论

4．2 高价盐溶液中作用力的实验研究

4．2．1 研究背景

4．2．2 实验过程及分析讨论

4．3 水膜厚度、pH值对表面相互作用的影响

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 本文主要研究内容及成果

5．2 未来工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间取得的学术成果