蒸发液滴颗粒沉积形貌影响因素的研究

摘要

在自然界和人类生活当中经常能观察到液滴蒸发和颗粒沉积，并在生物领域和工业生产方面得到广泛应用，如:大分子和颗粒的自组装、印刷、材料涂层、生物检测和微电子器件设计等等。尤其在生物领域，利用胶体液滴蒸发和颗粒沉积的原理来组装蛋白质、DNA等生物大分子材料。因此，进一步认识液滴蒸发和颗粒沉积的作用原理，有助于控制颗粒沉积的过程，从而得到所要求的沉积形貌。
　　本文利用显微镜观察含有悬浮纳米颗粒的液滴在亲水玻璃基底表面自由蒸发后形成的颗粒沉积形貌。通过观察和分析实验结果图发现，纯水液滴内悬浮颗粒在径向补偿流的作用下，在蒸发结束后会基底表面三相接触线处形成明显的颗粒沉积环，同时在接触线附近也会形成浓度比较低的颗粒沉积环，在两个环之间能够看到非常少量的颗粒沉积，而在内部区域并没有颗粒沉积。将一定量的乙醇加到纯水中形成混合溶液，相同体积的混合液滴在玻璃基底表面自由蒸发。利用显微镜观察混合液滴蒸发过程，发现混合液滴在亲水玻璃基底的蒸发模式是常接触面积蒸发模式;此外，蒸发结束后在接触线和接触线附近依然形成两个明显的沉积环，但是内部沉积环的浓度要比纯水内部环的浓度要大，在两个环之间也出现了大量的颗粒沉积且两个环的距离也增大。
　　本文分析比较了不同乙醇体积分数的混合液滴蒸发结束后的沉积形貌。结果表明，随着乙醇体积分数的增加，在内部环沉积的颗粒浓度逐渐增大，在两个环之间的颗粒沉积也逐渐增加，同时两个环之间的距离也逐渐变大;在乙醇体积分数达到30％的时候，两环之间的距离会有一个比较大的增加。由于乙醇具有强的挥发性，乙醇的加入使得混合液滴蒸发前期在内部形成了浮力对流，悬浮纳米颗粒的运动受到向外的径向补偿流和浮力对流共同作用;随着液滴的蒸发，混合液滴内部乙醇含量逐渐减少，近似变为纯水液滴的蒸发，液滴内部没有沉积的悬浮颗粒只受到径向补偿流的作用，被运输到接触线附近。
　　由于液滴内部悬浮颗粒的形状会影响蒸发结束后的颗粒沉积形貌，且根据DLVO理论悬浮颗粒之间的吸引力主要是van der Waals力。因此，本文还研究了空气中球形颗粒之间和椭球形颗粒之间的van der Waals力。利用Derjaguin近似，将颗粒之间的作用力转化为两平板间单位面积的vdW力的关系式。然后，通过McLachlan理论计算比较了在致密介质（水）中的球形颗粒之间和椭球形颗粒之间的vdW力。通过理论推导和分析，可知:相同体积的椭球形颗粒之间的vdW力要比球形颗粒之间的vdW力要大，而且随着椭球形颗粒的长/短轴比的增大，椭球形颗粒之间的作用力也逐渐增大。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 固体基底表面的液滴蒸发

1．2．1 液滴表面张力

1．2．2 液滴在固体表面的润湿及接触角

1．2．3 液滴蒸发的两种模式

1．3 咖啡环沉积形貌的形成

1．4 液滴蒸发沉积形貌的影响因素

1．4．1 毛细作用力

1．4．2 颗粒形状

1．4．3 DLVO理论

1．4．4 液滴尺寸

1．4．5 电润湿

1．5 本文的主要工作

第二章 乙醇对咖啡环沉积形貌的影响

2．1 液滴内部流场

2．2 实验部分

2．2．1 实验设备

2．2．2 实验材料

2．2．3 实验准备

2．2．4 实验条件

2．2．5实验步骤

2．2．6 实验注意事项

2．3 结果与讨论

2．3．1 液滴蒸发模式

2．3．2 纯水液滴蒸发

2．3．3 乙醇混合溶液液滴蒸发

2．3．4 不同乙醇体积分的液滴蒸发颗粒沉积形貌比较

2．4 本章小结

第三章 球体颗粒之间及椭球体颗粒之间van der Waals力

3．1 van der Waals力对颗粒沉积形貌的影响

3．2 Van der Waals力简介

3．3 两平板间的Van der Waals力

3．4 Derjaguin近似

3．5 球形颗粒之间和椭球形颗粒之间的Van der Waals力

3．5．1 球形颗粒之间的Van der waals力

3．5．2 椭球形颗粒之间的Van der Waals力

3．5．3 球形颗粒和椭球体颗粒Van der Waals力比较

3．5．4 致密介质中的Van der WaaJs力

3．6 本章小结

第四章 全文总结与工作展望

4．1 全文的主要研究内容与结论

4．1．1 全文的主要研究内容

4．1．2 全文的主要结论

4．2 工作展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文