胶体液滴的蒸发及其自组装图案调控机制研究

摘要

液滴的蒸发是自然界中普遍存在的物理现象，同时也是纳米颗粒自组装的重要手段。如何对液滴蒸发图案根据需要进行调控，既是技术上的挑战，也蕴含着丰富的科学问题，因而一直是材料领域的研究热点。
　　本文采用实时观测的方法研究高分子、无机盐、表面活性剂等添加物对胶体液滴蒸发的影响规律，探索基底润湿性、粗糙度以及胶体颗粒润湿性对蒸发图案形成的作用机理，讨论基底振动和外加磁场对蒸发图案的调控机制，主要取得以下成果：
　　研究了SiO2胶体液滴的实时蒸发过程和蒸发裂纹形成机制。实验发现，当体系中不添加高分子时，液滴蒸发呈现显著的“咖啡环”图案，并形成龟裂状裂纹。当加入少量PEO高分子聚合物后,液滴蒸发过程中的“咖啡环效应”得到抑制,形成了均一的蒸发图案,蒸发裂纹也由切向传播转变为径向传播。更重要的是,加入PEO后,裂纹的传播速率下降约3个数量级。这是因为，PEO与SiO2颗粒形成大尺寸聚集体,增大了体系颗粒的不均一性，从而在蒸发过程中易于诱发裂纹的形核,降低了裂纹扩展的驱动力。
　　系统研究了聚四氟乙烯(PTFE)胶体液滴蒸发时辐射状裂纹的形成机制。实验发现裂纹生长方向从液滴边缘指向液滴中心，且裂纹数量随胶粒含量的增大而减少。更为重要的是，由于内部液相区表面张力对外部凝胶区的牵引作用，液滴形成从边缘指向内部的辐射状波纹，这预示着类似宏观应力的建立并最终导致辐射状裂纹的形成。实验结果和理论分析表明，裂纹的生长速率与H3/5成正比。
　　进一步探索了利用表面活性剂调控胶体液滴蒸发裂纹的新方法及其物理机制。当表面活性剂(SDS)引入 PTFE胶体液滴体系后，蒸发过程中的辐射状波纹得到抑制。这是由于 SDS的加入使得内部液相区的表面张力显著下降，不足以使外部凝胶区形成宏观应力。当加入0.5％SDS时,裂纹生长方向由原来的从外向内转变为由内向外。当加入3%时，蒸发裂纹得到完全抑制。这些结果表明胶体颗粒间的毛细作用力对蒸发应力的产生和释放发挥着重要作用。
　　NaCl与 PTFE颗粒对液滴最终蒸发图案的形成具有复杂的协同效应。NaCl的存在，改变了胶体液滴蒸发产生的应力分布，抑制了向外的毛细补偿流，有利于获得宏观上厚度均匀的蒸发沉积图案。NaCl与 PTFE颗粒耦合形成了凹凸不平的树枝状形貌，该形貌的形成过程有可能是蒸发应力释放的独特方式。
　　为揭示不同实验条件对胶体液滴蒸发图案的影响规律，分别改变基底的润湿性、粗糙度和颗粒的润湿性等条件进行实验。发现当基底材料为亲水性载玻片时，液滴蒸发过程中三相接触线被钉扎，“咖啡环效应”显著。当基底材料为疏水性石蜡膜时，液滴接触线随蒸发进行而移动，液滴蒸发颗粒形成壳层并断裂。蒸发裂纹的数量随基底粗糙度的增加而增多。疏水性较强的SiO2颗粒分散液蒸发时“咖啡环效应”得到抑制且裂纹间距小，而亲水性较强时“咖啡环效应”明显，裂纹间距较大。
　　实验研究了振动场和磁场对液滴蒸发图案的调控作用。研究发现，当选择合适频率和振幅的基底振动时，液滴的蒸发图案发生显著改变。这说明基底振动有可能改变液滴的毛细补偿流，从而引起液滴内部颗粒输运的变化。而磁场的引入，改变了磁性Fe3O4颗粒之间的相互作用，进而改变液滴的蒸发过程，并且最终蒸发图案与磁场的施加方向密切相关。

目录

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论文的主要创新与贡献

目录

第 1章 绪 论

1 .1引言

1 .2界面自组装与蒸发自组装

1 .3蒸发图案

1 .4蒸发裂纹

1 .5论文研究背景及意义

1 .6论文研究思路和主要内容

第 2章研究方案与实验方法

2 .1实验材料

2 .2研究方案

2 .3实验方法

2 .4液滴性质分析表征方法

2 .5实验条件的控制

第3章聚合物对胶体液滴蒸发图案的调控

3 .1引目

3 .2 实验材料与方法

3.3 SiO2胶体液滴的蒸发

3.4 P E O对蒸发图案的调控

3.5 P E O分子量对沉积图案的影响

3 .6 胶体颗粒含量对沉积图案的影响

3.7 P E O对胶体液滴蒸发的影响机理

3 .8 本章小结

第4章盐与胶体液滴的协同蒸发

4 .1引言

4 .2 实验材料与方法

4.3 PTFE胶体液滴蒸发图案

4.4 PTFE胶粒对分散液接触线的钉扎作用

4.5 N a C l与胶体液滴的协同蒸发

4 .6 树枝状结构的构成

4 .7本章小结

第5章辐射状裂纹的形成机理与调控

5 .1引言

5 .2实验材料与方法

5 .3辐射状裂纹的形成过程与分布规律

5 .4表面波纹的形成

5 .5辐射状裂纹的形成机制

5 .6裂纹生长动力学

5.7 S D S添加剂对蒸发裂纹的调控

5 .8 本章小结

第6章实验条件对液滴蒸发的影响

6 .1引言

6 .2基底润湿性的影响

6 .3基底粗糙度的影响

6 .4颗粒润湿性的影响

6 .5振动的影响

6 .6磁场的影响

6 .7本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

致谢

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