关键词： 球形   纳米硫化镉   溶解热力学   溶解动力学   界面热力学   表面张力   尺寸依赖性   表面热容的临界尺寸效应  

摘要： 纳米材料独特的物理、化学性质与其“nano-effect”(纳米效应)密切相关,而影响“nano-effect”的主要因素就是纳米颗粒的尺寸。尺寸大小会显著影响纳米材料的应用价值,此外,大多数文献报道了纳米颗粒溶解过程中热力学性质的粒径依赖性问题。然而,时至今日有关纳米颗粒在溶解时的动力学性质尺寸依赖性问题的研究报道依然不是很多,现有的这些报道还是存在结论之间产生相互矛盾与冲突的现象。另一方面,有关固体表面能(包括表面Gibbs自由能、表面焓、表面熵和表面热容)和表面张力的测定方法也有很多,但是这些方法大多不适合用于测定纳米级别材料的表面能和表面张力,并且有关界面热力学(包括表面张力、界面焓、界面熵和界面热容)性质与尺寸依赖性研究的规律和解释也不是很多。至此,可以看出,纳米材料上述基本的物理化学属性都还不完善,这大大阻碍了其后续的发展及应用价值。因此,本文依据这些方面提出了采用溶解度技术解决了纳米材料在溶解过程中的热力学、动力学、表面热力学以及界面热力学性质的尺寸依赖性问题。(1)不同粒径球形纳米硫化镉的制备本文采用溶剂热法,通过利用I.乙酸镉和TAA作为反应物油酸作为溶剂和表面活性剂以及II.硝酸镉和硫脲配合PVP K-40作为表面活性剂、乙二醇作为溶剂,这两种方法制备了不同粒径球形的纳米硫化镉,同时,通过陈化方法制备了块体硫化镉。通过使用X射线粉末衍射仪、透射电子显微镜及比表面积和孔隙率分析仪对产物的物相、形貌、尺寸以及比表面积进行了表征。(2)溶解热力学及表面热力学性质(表面能)的尺寸依赖性研究通过在理论推导部分设计热力学循环以及引入界面变量参数对球形纳米颗粒进行完整的溶解热力学和表面热力学性质的理论推导,在实验上利用溶解度技术结合电化学平衡法原理以及块体硫化镉的物理化学参数,系统地计算了溶解力学和表面热力学性质尺寸依赖性规律,结果显示:(a)对于球形纳米硫化镉的溶解体系,其溶解热力学性质与粒径的倒数之间有明显的曲线或者线性关系。随着粒径的逐渐增加,标准摩尔溶解吉布斯自由能、标准摩尔溶解熵和标准摩尔溶解焓的值也增大,但标准溶解平衡常数的对数、摩尔表面Gibbs自由能、摩尔表面焓和摩尔表面熵的值却在减小。(b)纳米硫化镉的摩尔表面热容存在明显的临界尺寸效应,且临界尺寸值在8.1 nm和15.1 nm之间,为9.3 nm。(3)溶解动力学性质的尺寸依赖性研究在理论推导部分结合过渡状态理论通过引入界面变量参数对球形纳米颗粒进行完整的溶解动力学性质的理论推导,在实验上利用溶解度技术结合电化学平衡法原理以及块体硫化镉的物理化学参数,系统地计算了溶解动力学性质的尺寸依赖性规律,结果显示:(a)对于球形纳米硫化镉的溶解过程,其溶解动力学性质与粒径(或者粒径)的倒数之间存在明显的线性或者曲线关系,并且溶解过程遵循Arrhenius规律。当粒径逐渐增加时,溶解摩尔活化Gibbs自由能、溶解摩尔活化熵、溶解摩尔活化焓、表观活化能和指前因子的对数值均在逐渐增大,而溶解速率常数的对数和溶解级数的值均在逐渐减小。(b)通过对比用溶解热力学性质和溶解动力学性质导出的摩尔表面热力学性质后发现,用溶解动力学性质计算的摩尔表面Gibbs自由能、摩尔表面焓和摩尔表面熵的值偏大,这可能是过渡状态理论的理想假设所致。(4)界面热力学性质的尺寸依赖性研究在理论推导部分结合单分子层模型及Gibbs-Tolman-Kening-Buff方程对球形纳米颗粒进行完整的界面力学性质的理论推导,在实验上利用溶解度技术结合纳米和块体硫化镉的摩尔表面热力学性质(摩尔表面Gibbs自由能、摩尔表面焓和摩尔表面熵)以及比表面积数值,系统地计算了界面热力学性质尺寸依赖性的规律,结果显示:(a)对于球形纳米硫化镉,当粒径逐渐增加,表面张力、界面焓和界面熵的值在逐渐增大。(b)纳米硫化镉的界面热容也存在明显的临界尺寸效应,且临界尺寸值在8.1 nm和15.1 nm之间,为8.7 nm,与摩尔表面热容之间存在0.6 nm的可控误差。本文采用的溶解度技术结合完整的理论推导部分用于解决纳米颗粒溶解过程中的溶解热力学(包括表面热力学性质)、动力学及界面热力学性质的尺寸依赖性问题具有重要的指导意义与参考价值,同时,计算得出的表面张力可以解决纳米材料表面张力测定困难的问题,为其提供一个通用的新途径。此外,纳米硫化镉表面热容的临界尺寸效应对于理解纳米材料的储能过程具有重要意义。

关键词： 被子植物纹孔膜   气泡过滤   纤维素基水凝胶   表面张力   微流控芯片  

摘要： 微流控芯片在DNA分析、药物筛选、细胞培养、生物传感器等领域有着广泛的应用前景。在芯片系统中,由于通道连接不紧密、芯片中存在气核、压力变化等因素,气泡会进入微通道,影响芯片的功能。近年来学者们提出了多种解决方案,但现有的方法存在储气空间有限、除气系统复杂、气泡易再次引入、难于集成等缺点。本文基于被子植物纹孔膜气泡过滤功能,建立了纹孔膜流体通道二维模型,研究了气泡过滤机制,引入纤维素基水凝胶,制作一种用于气泡过滤的新型仿生微结构单元。针对仿生微结构单元的气泡过滤机理和性能,本文开展了以下研究:(1)被子植物纹孔膜气泡过滤仿生机理研究。制备植物木质部样本并使用扫描电子显微镜观测纹孔膜的形态特征,得到纹孔膜的直径、孔径及孔隙率等参数;研究纹孔膜气泡过滤机理,结果发现,纹孔膜利用孔隙处气液界面的表面张力抵抗来自气泡的压力,阻止气泡透过纹孔膜,并且过滤气泡的能力与纹孔膜表面润湿性和最大孔径有关;建立纹孔膜流体通道的二维模型,研究表面润湿性和最大孔径对纹孔膜过滤气泡的影响,结果表明,纹孔膜的亲水性是其能够过滤气泡的重要因素,纹孔膜的最大孔径与气泡泄漏时的压力成反比。(2)仿生微结构单元的设计与制作。基于纹孔膜气泡过滤原理,设计了基于纤维素基水凝胶的仿生纹孔膜。为将仿生纹孔膜集成于微通道,设计了具有限位微柱的微结构单元;对仿生纹孔膜原位成型过程进行仿真模拟,结果显示,限位微柱形状可影响凝胶流动状态,其中,圆形微柱可实现仿生纹孔膜的原位成型;利用微纳加工工艺制作微结构单元,并利用原位成型法将仿生纹孔膜集成于微通道内,形成了具有气泡过滤功能的仿生微结构单元,其仿生纹孔膜厚度为10-50μm。(3)仿生微结构单元气泡过滤性能检测。对仿生微结构单元的气泡过滤能力进行检测,结果表明,持续通入气泡的情况下,气泡未通过仿生纹孔膜,所设计的仿生微结构单元具有过滤气泡的功能,并且流量为4.5m L/h时气泡过滤速率达到了24个/min;为得到微结构单元能够过滤气泡的最大压力,对气泡泄漏阈值进行检测,结果表明,仿生纹孔膜厚度为20μm时,气泡泄漏阈值为90k Pa,并且气泡泄漏阈值不再随膜厚的增加而显著增加;对仿生纹孔膜造成的流量损失率进行检测,结果表明,膜厚为10-50μm时,流量损失率分别30.76%、45.11%、61.26%、68.19%和76.15%。综合考虑气泡泄漏阈值和仿生纹孔膜对水力运输影响,仿生纹孔膜最佳厚度为20μm。

关键词： 表面张力   粘度   发泡特性   N-甲基二乙醇胺   环丁砜  

摘要： 砜胺溶剂是一种兼备化学吸收和物理吸收优点的复合型脱酸溶剂。其中,以MDEA、TMS和H2O组成的三元体系被称为Sulfinol-M或砜胺Ⅲ,具有酸容量大、净化度高等优点,但发泡现象较为严重也是其不可被忽视的缺点。在天然气脱硫脱碳工艺过程中,吸收剂的表面张力和粘度是进行设备设计和校验所必需的物性参数。同时,表面张力和粘度也与胺液的发泡行为相关。因此,本文基于工业实际应用的组成范围,探究了MDEA-TMS-H2O三元体系的表面张力和粘度与温度和溶液组成之间的关系,并通过计算相应的过量性质和热性质解释了变化规律的内在机理。最后,基于实际的一工业脱硫剂（45 wt%MDEA+35 wt%TMS+20 wt%H2O）,开展了发泡特性的相关研究。 选定范围内的混合溶液的组成分别采用均匀实验设计和响应面实验设计的方法进行确定。实验测定了常压下298.2 K-323.2 K温度范围内不同组成的MDEA-TMS-H2O三元体系的表面张力和粘度,并由实验结果分别计算了体系的表面张力偏差（Δσ）、表面熵（SS）与表面焓（HS）、粘度偏差（Δη）以及过量流动自由能（ΔGE*）。 实验结果表明,混合溶液表面张力随温度升高而线性降低。表面张力偏差为负值,对温度的变化不敏感而受H2O含量变化的影响较大,当溶液中总溶质含量超过50 wt%时,Δσ随水含量的降低而增大;三元体系的表面熵和表面焓随溶液中含水量的的降低而减小。各因素对表面张力的影响程度排序为:T/℃>MDEA/wt%>TMS/wt%。三元体系的表面张力采用简化的N-Wilson-NRF表面张力模型和FLW模型进行关联,两种模型的平均相对偏差（AAD%）分别为0.71和1.46。 三元体系的粘度随温度升高而非线性降低,其变化关系满足扩展的Arrhenius方程。当另一溶质含量固定时,MDEA-TMS-H2O三元体系的粘度随着溶质TMS含量的增加而线性增大（MDEA=50wt%）,随溶质MDEA含量的增加而呈二次多项式变化规律增大（TMS=40 wt%）。三个因素对粘度的影响程度排序为:T/℃>MDEA/wt%>TMS/wt%。溶液中MDEA含量≤50 wt%时,粘度偏差（Δη）为负值且随温度的升高而增大。溶液中含水量超过20 wt%时,过量流动自由能（ΔGE*）随温度的升高逐渐增大。采用修正的Grunberg-Nissan模型和Jouyban-Acree模型关联三元体系的粘度,模型的平均相对偏差（AAD%）分别为3.46和8.78。 受杂质的影响,脱硫剂贫液的表面张力相对于新鲜液偏低,粘度相对偏高。这使得贫液的发泡性及其泡沫的稳定性远高于新鲜液。当初始液面高度h0=100.0 mm时:贫液的发泡比是新鲜液的1.6倍,泡沫半衰期是新鲜液的4.3倍;贫液和鲜液的消泡过程为线性变化,消泡速率分别为1.074 mm/s和0.829 mm/s。消泡剂对贫液具有良好的消泡和抑泡效果。加入量约76 mg/L左右时可基本实现完全消泡。 脱硫剂贫液的消泡速率随着温度升高而加快。温度较低为293.2 K和298.2 K时,高表面张力和高粘度使得溶液的发泡力降低,消泡速率减慢,总消泡时间更长。贫液的发泡高度随空管气速的增大而降低,消泡速率随气速增加而减慢。低气速有利于气泡间的气体扩散,形成大气泡而加速消泡过程;高气速下气泡间的高频的碰撞可以破坏泡沫层的稳定性,使发泡高度下降。 采用灰关联法分析了发泡特性与物性之间的关联度,结果表明,表征溶剂发泡力的发泡比和表征泡沫稳定性的泡沫半衰期分别与表面张力和粘度的关联度更高,这一结论与起泡和泡沫衰减过程的机理相符。

关键词： 含铬高钛型高炉渣   表面张力   粘度   炉渣结构  

摘要： 钒钛磁铁矿是一种含有铁、钛、钒等有益元素的复合矿,其大量地分布在我国的攀枝花-西昌地区、河北承德以及安徽马鞍山地区。根据钒钛磁铁矿矿石中Cr2O3含量的高低,通常将钒钛磁铁矿划分为高铬型钒钛磁铁矿和普通型钒钛磁铁矿。位于我国攀西地区的红铬矿由于矿石中Cr2O3含量较高,属于高铬型钒钛磁铁矿。红铬矿矿石储量高达1.8×10～9t,但是却迟迟未能得到很好地开发利用,主要原因是红铬矿在高炉中冶炼势必会增加炉渣中Cr2O3含量,对造渣及后续提钒过程产生影响。本文通过理论计算和实验分析相结合的方式对在不同Cr2O3含量下炉渣的表面张力以及不同Cr2O3含量、不同Al2O3含量和不同“Mg O/CaO”下含铬高钛型高炉渣的物相结构及粘流性质进行了研究,得出了以下结论:（1）Cr2O3对炉渣表面张力影响的研究:随着渣中Cr2O3含量的增加,CaO-Si O2-9.25wt.%Mg O-14.7wt.%Al2O3-22wt.%Ti O2-Cr2O3渣系的表面张力逐渐增加。这是由于熔渣组分Cr2O3在1500℃的表面张力最大而Si O2的表面张力最小,因此,随着炉渣中Cr2O3含量的增加以及Si O2含量的减少,实验渣样的表面张力逐渐增加。同时,随着炉渣中Cr2O3含量的增加,Cr被氧化形成了Cr O42-,生成的Cr O42-的静电势比O2-的静电势小很多,因此熔渣中阴离子和金属阳离子之间的键能较小,导致阴离子被排斥,游离到熔渣表面层,随后发生吸附,从而导致熔渣表面张力的增加。（2）炉渣物相结晶计算:在含铬高钛型高炉渣结晶过程中先后有钙钛矿相、尖晶石相、橄榄石相、钙长石相、单斜辉石相析出。随着渣中Cr2O3含量的提高,1500℃下尖晶石相析出量增加,钙钛矿相析出温度先下降后上升;随着Al2O3含量的增加,尖晶石相的析出温度上升,钙钛矿相的析出温度下降;随着“Mg O/CaO”的上升,尖晶石相的析出温度上升,钙钛矿相的析出温度下降。（3）炉渣粘流性质研究:1)随着渣中Cr2O3含量的增加,炉渣粘度呈先下降后上升趋势。当Cr2O3含量在0-0.5wt.%之间时,随着Cr2O3含量的增加,渣中Si O2含量减少从而导致粘度下降。当Cr2O3含量在0.5-3wt.%之间时,渣样粘度上升,这是因为Cr2O3在碱性较强条件下,表现出酸性氧化物性质,能够聚合炉渣结构。渣样的熔化性温度先下降后上升。为了让炉渣具有较好的流动性和热稳定性,渣中Cr2O3的含量不宜超过0.5wt.%。2)随着渣中Al2O3含量的增加,渣样粘度上升。Al2O3在渣中表现为酸性氧化物的性质,起到网络形成子的作用使得炉渣结构复杂,宏观表现为粘度的上升及粘流活化能的增加。由于渣样的二元碱度降低,因此渣样的熔化性温度下降。3)随着渣中“Mg O/CaO”的提高,渣样的粘度先降低后升高。Mg O和CaO是等质量替代的,并且Mg O的相对分子量小于CaO的分子量,相同质量下Mg O的摩尔数要大于CaO的摩尔数,使得Mg2+和Ca2+数量对炉渣粘度产生的影响大于Mg2+和Ca2+本身对炉渣粘度的影响,从而使得渣样粘度下降。“Mg O/CaO”在0.44-0.63区间时,渣样粘度呈上升趋势,这是由于Mg-O和Ca-O键之间的差异。由于Mg2+的离子比小于Ca2+的离子比,当Mg O取代CaO时,离子间力增大。Mg O和CaO同是碱性氧化物,都可以使炉渣粘度下降,但是CaO降低炉渣粘度的能力大于Mg O的,因此随着“Mg O/CaO”的增加,渣中CaO含量下降,炉渣粘度上升。

关键词： 白酒基酒   看花摘酒   表面张力   电导率   挥发性风味物质   多元统计分析  

摘要： 量质摘酒是我国白酒生产中的一个重要环节,其中,“看花摘酒”方法被广泛应用,至今仍是各酿酒企业、大小作坊的主要摘酒方式。尽管行业应用看花摘酒已积累了丰富的经验,但对于其应用原理的认识还不够。本研究针对不同蒸馏工艺下,应用看花摘酒工艺分段摘取的浓香型白酒基酒过程样品为对象,采用气相色谱对挥发性化合物进行测定,以底锅中加清水蒸馏为对照,分析比较底锅中回尾酒和回黄水对风味物质的馏出影响,全面探究不同蒸馏工艺下风味物质的馏出规律;并通过测量梯度酒精溶液以及基酒过程样品的表面张力、粘度、电导率参数以及比较其酒花形态,探究风味组分对各物理性质的影响,解析流酒过程酒花形态变化的原理;并基于风味物质、物理性质参数的变化结合多元统计分析建立各段次白酒基酒的分类模型,实现数据可视化分析。主要研究内容及结果如下:1、采用GC-FID测定10组白酒基酒过程样品中挥发性风味物质,共检测到69种挥发性风味物质（除乙醇外）,包括酯类28种,醇类15种,酸类10种,醛酮类14种,呋喃类2种。以底锅水蒸馏为对照,在回尾酒和回黄水蒸馏时,首先是延长了流酒时间,主要是二段酒流酒时间显著增长;其次是影响风味物质的馏出,主要是对醛类和醇溶性酯类物质的影响,增大流酒开始时的醛类、酯类物质含量以及在转三段点时含量明显更低,馏出更充分;同时酸类物质在蒸馏过程中含量被略微降低。通过段次与风味物质相关性分析,发现在流酒前期,含有大量酯类、醛类和醇类物质,风味物质丰富,香气突出。糠醛、乳酸乙酯、壬酸乙酯、β-苯乙醇及大量的酸类物质含量随蒸馏时间逐渐增加,集中在流酒后期。2、对比基酒过程样品与酒精溶液的表面张力发现,表面张力值随着酒精度的降低呈逐渐增大趋势。在流酒前期酒精度高于55%vol时,基酒的表面张力主要由酒精浓度决定,酒精浓度与风味物质的影响比例为7.32:1;低于55%vol时,随着酒精度的降低,基酒中风味物质有逐渐降低酒精溶液表面张力的趋势,且降低趋势随着酒精度的降低而增大,酒精度与风味物质对表面张力的影响比例变为3.26:1,风味物质相对含量增加,基酒中的酸、酯类有机物对于降低溶液表面张力具有明显作用。测量粘度发现,基酒粘度主要由酒精浓度决定,随着酒精度的降低,粘度呈抛物线趋势变化,在45-55%vol达到最大;而在酒精度低于30%vol时,风味物质相对比例增大,基酒的粘度也逐渐高于酒精溶液。3、分析酒精度和风味物质对酒花形态的影响发现,在蒸馏前期酒精度高时,高浓度的乙醇是基酒酒花形态的主要影响因素;随着酒精度的减少,基酒中的风味物质对于增强泡沫稳定性发挥一定作用,主要是通过表面活性剂的分子结构来影响气泡中气体分子扩散速率,进而影响泡沫的稳定性,如酒体中的一些醇类如多元醇、异戊醇等以及脂肪酸类物质;在转尾酒时,沸点高、碳链长、难溶于水的高级醇、脂肪酸及高级脂肪酸酯物质因溶解度而析出,造成酒液浑浊,同时影响溶液的表面粘度,形成生产中典型的“断花”现象。4、测量电导率发现,纯净水配制的酒精溶液基本不导电,而底锅水配制的酒精溶液因水质存在导电能力,通过具体探究电导率与酒精度x、底锅水水质x之间的关系,得到拟合关系式Y=2.006-0.047x+1.138x+3.508*10x～4,R=0.999,直观反映出电导率与酒精度成反比,影响作用极小,同时与底锅水水质成正比,影响作用较大;同时,电导率还与基酒中的风味物质种类、含量及底锅水可溶性物质蒸馏率相关,其中,酸类和酯类物质对电导率影响较大,同时,底锅水中可溶性物质蒸馏到基酒中的蒸馏率由蒸馏前期的-0.969到蒸馏后期的+2.201,表明蒸馏前期电导率与底锅水可溶性物质蒸馏率成反比,即蒸馏到基酒中的水质更纯净,而到了蒸馏后期,由于糟醅与底锅中的水分不断交换循环,蒸馏出来的水蒸汽中可溶性物质逐渐增多,电导率也就不断升高。5、对酒样的挥发性风味物质和物理特性指标分别采用主成分分析（PCA）、线性判别分析（LDA）和偏最小二乘判别分析（PLS-DA）对过程酒样进行段次分类和判别分析。结果表明,基于挥发性风味物质的LDA和PLS-DA模型对未知样本的分类准确率均为100%;选择表面张力、电导率两个参数进行基酒分类研究,因其在蒸馏过程中有明显变化且测量简单、方便,更适用于生产应用。结果表明,基于表面张力、电导率的LDA模型对未知样本的分类准确率为93.3%,PLS-DA模型对未知样本的分类准确率为100%。

关键词： 化学吸收   亲水改性塑料规整填料   流体力学性能   有效传质比表面积   表面张力   粘度  

摘要： 化学吸收法是目前应用最为广泛的燃烧后二氧化碳捕集技术之一,通常采用不锈钢填料吸收塔作为气液传质的设备。为了降低设备投资,采用成本低廉的聚丙烯塑料填料替代不锈钢填料。聚丙烯属于疏水材料,经过亲水改性,塑料填料的亲水性能得以提升。但现有研究缺乏对亲水改性聚丙烯填料流体力学性能和传质性能的测试研究,特别是不同吸收剂体系下与不锈钢填料的性能对比分析。本文在搭建的填料性能测试平台上进行了填料流体力学性能测试,并针对ST 250Y亲水改性塑料填料的结构进行模拟优化以降低其干塔压降。同时,在不同吸收剂体系(表面张力和粘度)下进行了填料传质性能测试,并提出了不同吸收剂体系下的填料有效传质面积预测公式。主要研究结论如下:流体力学性能测试表明,改性塑料填料的压降随液相负荷和气速的提高而增大,变化趋势与不锈钢填料相同。但改性塑料填料的压降损失高于不锈钢填料,常规工况下其液泛气速低于不锈钢约28.0%。提高溶液粘度或降低溶液表面张力会导致填料的压降升高,但表面张力影响较稳定,而粘度的影响随液相负荷提高而增大。在Fluent软件中构建了双波纹板和填料块模型以研究结构参数对亲水改性塑料填料干塔压降性能的影响。双板模型的测试结果表明,板片厚度增加会导致改性塑料填料干塔压降提高,而板片开孔半径和开孔率对压降没有明显影响。同时,塑料填料的压降会随波纹倾角增大而升高。气速1.0-2.0m/s时,45°波纹倾角压降比30°高94.9-111.7%。填料块模型进一步验证了,减小波纹倾角能够降低改性塑料填料压降。同时,填料块的层间压降损失显著高于填料块内部,减小波纹倾角同样能降低层间压降。层间压降的占比会随气速增加提高,气速升至2.8m/s后层间压降占比逐渐稳定。填料块的堆叠角度对填料干塔压降没有显著影响。填料传质性能测试表明,改性塑料填料的有效传质面积随气速和液相负荷的增加而提高,与不锈钢填料相似。不同吸收剂物性条件下的测试表明降低溶液表面张力能够提高填料的有效传质面积,而溶液粘度对填料有效传质面积没有明显影响。由于亲水改性塑料填料表面的多孔微纳结构在低表面张力条件下毛细作用更为明显,所以其在低表面张力的碳捕集吸收环境中更具优势。在30.0m/(m·h)液相负荷条件下,改性塑料填料在表面张力30.8和13.0m N/m的工况中有效传质面积分别高于不锈钢填料2.62%和4.29%。提出了ST 250Y亲水改性塑料和不锈钢填料应用于碳捕集吸收塔的有效传质面积预测公式,预测相对偏差约为5%,可以为工业应用提供有效设计参考。比较了填料在混合胺和离子液体等吸收剂中的传质性能。混合胺吸收剂中,(AMP+PZ)的吸收体系下填料的传质面积较高。而在离子液体([emim][TfN])体系中,填料的有效传质面积远高于在有机胺吸收剂中的。

关键词： 微力传感器   固-液动态耦合   表面张力   弯曲和失稳   尺度效应  

摘要： 微力传感器是研究微尺度材料力学性能、表征微尺度结构动态液-固耦合作用力的关键实验装置之一。目前尚无价格低廉、精度高、量程宽的商用微牛级力传感器及相关测试分析系统。本文基于扭秤原理研制了一套分辨力在微牛量级的力与位移自动测试装置,应用该装置对浸润物体的表面张力和微梁的弯曲与失稳尺度效应进行了实验研究。本文的主要研究工作如下:(1)基于扭秤原理研制了一套微牛级力与位移测量系统。该系统包含微力传感器、直线电机、试样平台和基于Lab VIEW语言开发的测控软件。微力传感器的测量分辨力为0.035μN,测力范围为0.1～70000μN,位移测量精度为0.1μm。设计了多种加载方法,以满足不同实验的需求。(2)对仿水黾腿部细长圆柱体压入水面过程和水面上两圆盘间相互吸引或排斥的现象(“麦圈效应”)进行了实验研究。在细长圆柱体压入水面实验研究中,制备了超疏水二氧化硅混合液,试样喷涂混合液后,涂层的表面接触角可达158°。测量得到0.2～1.0 mm直径细长圆柱体喷涂二氧化硅超疏水涂层前后压入水面过程的表面张力-入水深度(F-h)曲线。研究发现当细长圆柱体直径从1.0 mm减小到0.2 mm时,单位体积表面张力F/V增加为原来的14倍以上。在“麦圈效应”实验研究中,用尼龙12材料3D打印制作了7种不同尺寸(半径6～12 mm)的圆盘。测量得到7组圆盘在分离过程中的表面张力-位移(F-D)曲线。研究表明圆盘间表面张力随半径增大而增大,随位移增大而减小。随着圆盘压入水面深度的增加,表面张力先减小后增大。(3)对微梁的弯曲和失稳过程尺度效应进行了实验研究。分别测量了镍微梁弯曲和失稳过程中的载荷-挠度(F-δ)曲线。在弯曲实验中发现,随着微梁厚度从100μm减小到5μm,其等效刚度增加为原来的5.3倍,存在明显的尺度效应。在微梁的失稳实验过程中,观察到了轴心失稳和偏心失稳两种失稳形式,发现3μm和5μm厚度镍微梁的临界失稳载荷是经典临界欧拉力的2.7倍以上。

关键词： 非水相泡沫   层状液晶   表面张力   体相黏度  

摘要： 非水相泡沫在食品,油气田开发以及多孔材料等领域有着广泛的应用。然而,非水相发泡的难度和极差的稳定性,制约着相关工程作业的发展。表面活性聚集体由于其高有序性,高密度的特性在泡沫领域中得到广泛关注。因此,本文以SDS、SDBS为主剂,甲酰胺、癸醇、甘油为非水相,制备不同体系的表面活性聚集体,并在非水相溶剂中进行起泡实验,探讨表面活性聚集体对非水相泡沫形成的影响,得出以下结论: 1、表面活性聚集体的制备。(1)在SDS/癸醇/甲酰胺相图中,可形成一个癸醇含量较高的聚集体相区,在SDS/癸醇/甘油相图中,聚集体相区为一个靠近甘油角的窄长区域,而在SDBS/癸醇/甲酰胺相图中,聚集体相区为一个向甲酰胺角大幅度伸展的区域;(2)偏光显微镜研究表明,表面活性聚集体均表现为典型的层状液晶偏光织构;(3)流变学研究表明,层状液晶属于非牛顿流体,有屈服值,剪切-稀释及弹性体流变行为,并且SDS或SDBS的含量越高,临界应力越大,层状液晶的结构越稳定。 2、非水相的泡沫性能。(1)起泡性方面,在SDS/癸醇/甲酰胺体系与SDBS/癸醇/甲酰胺体系中,甲酰胺泡沫性能优于癸醇泡沫性能,甲酰胺泡沫最大含气率分别为80.24%、75.49%,癸醇泡沫最大含气率分别为70.93%、55.75%;SDS/癸醇/甘油体系非水相起泡性较差,甘油发泡体积为14～18.9 m L,癸醇发泡体积为3～7 m L;(2)稳定性方面,泡沫半衰期随层状液晶含量的增加而增加。当层状液晶含量为60%时,在SDS/癸醇/甲酰胺体系与SDBS/癸醇/甲酰胺体系中,甲酰胺泡沫半衰期分别可达6 h 54 min、8 h 36 min,癸醇泡沫半衰期可达150 min、174 min,而在SDS/癸醇/甘油体中,当层状液晶含量为60%时,甘油泡沫半衰期可达76 h,癸醇泡沫半衰期可达18 h 13 min。 3、表面活性聚集体对非水相泡沫形成的影响归因于层状液晶相。(1)层状液晶相可吸附在气-液界面表现出良好的表面活性,降低非水相的表面张力;(2)层状液晶相可提高非水相的体相粘度,延缓了液膜间的排液,并且体相黏度的提高增强了液膜强度与刚性,降低了聚并与粗化现象的发生;(3)层状液晶相在Plateau通道富集,表面压增加,加强了Gibbs-Marangoni效应,使形成的气泡得以稳定,有利于泡沫的形成。

关键词： 表面张力   Gurtin-Murdoch理论   椭圆柱压头   椭球压头   解析解  

摘要： 表面效应通常在材料的机械性能实验测量中发挥重要作用,薄膜的表面变形对压痕实验的结果有着显著的影响,因此研究薄膜的表面张力对表面变形的影响至关重要.在本文中,运用Gurtin-Murdoch的表面弹性理论解释表面对弹性层-基材系统的压痕行为的影响.结合克尔模型和Gurtin-Murdoch理论,推导出压痕力-位移关系的解析表达式.本文主要研究内容如下:（1）研究了粘合在刚性基板上的弹性层的平面应变压痕.对不同椭圆柱压头的压痕试验进行了分析和比较,通过有限元模拟验证了理论解决方案的正确性.还检查了表面效应对压头形状的依赖性,即其椭圆长轴和短轴之间的比率.此项工作不仅有助于理解软材料压痕行为的尺寸效应,而且为机械测量测试的设计提供了指导;（2）理论上研究了轴对称压头与弹性层的压痕,考虑了弹性层与刚性基底为滑动边界条件和粘接边界条件的两种情况.通过引入了轴对称椭球压头检查了表面效应对压头形状的依赖性,并用有限元数值模拟进行了验证;（3）从理论上研究了圆柱压头作用下具表面张力弹性梁的平面应变压痕问题.采用Kerr方法将应力函数展开为薄膜厚度的幂级数,结合边界条件得到对称分布式载荷作用下的表面压力分布和法向挠度之间的微分表达式.通过贝蒂互斥定理建立了接触区尺寸、压痕深度、测量力的解析关系.这项工作有助于理解微尺度材料压痕行为中的表面张力效应,为机械性能压痕测试技术提供参考.

关键词： 颗粒接触角   气泡负载颗粒   表面张力   末速度   纵横比  

摘要： 浮选过程中,气泡携带颗粒运动,气泡的运动行为直接影响浮选设备的浮选效果,负载颗粒的性质及负载量对气泡的运动状态及形态影响很大,浮选入浮的矿物种类繁多,明晰颗粒性质、负载量对气泡运动的影响规律,建立负载颗粒气泡运动速度和形变预测模型,对浮选设备结构优化,提升分选效果有重要的意义。选用经三甲基氯硅烷(TMCS)改性的玻璃微珠模拟实际矿物,颗粒的体积平均径为84.89μm,接触角在40°～90°之间可控。气泡尺寸范围为2.99～4.75 mm,使用高速动态摄像系统对气泡负载改性玻璃微珠后的形态及其上升运动进行了拍摄,利用图像处理软件i-SPEED 3 suite、Image-Pro Plus 7.0、Adobe Illustrator2021和MATLAB对图像进行处理,得到了气泡当量直径、纵横比、表面张力和末速度等数据,研究主要结论如下:基于静态气泡负载颗粒前后的轮廓数据,利用Young-Laplace方程拟合得到了气泡表面张力及顶点曲率半径,结果表明改变颗粒覆盖率、颗粒接触角、气泡尺寸及溶液环境等条件,负载微粒后气泡表面张力均不发生改变。其原因是微粒不同于会在流体界面进行布朗运动的纳米颗粒,微粒在流体界面保持受力平衡,处于稳定状态,不会对气泡表面施加动态压力。颗粒在气泡表面的覆盖率低于50%时,随着覆盖率的增加,气泡平均末速度快速降低,纵横比迅速增加,末速度与纵横比同步变化;颗粒覆盖率大于50%时,气泡的末速度和纵横比基本稳定。其原因是颗粒在气泡表面呈紧密的六边形排布,随着负载量的增加,气泡的刚度增加,气泡越来越接近于球形,平均纵横比逐渐增大,当覆盖率超过50%时,纵横比在0.8～0.9之间,不再增大。气泡上浮速度与气泡的纵横比紧密相关,为了实现对气泡速度的预测,首先建立了载颗粒气泡纵横比的预测模型,不同尺寸气泡的预测结果与实验值的相对误差分别为3.22%和4.47%;将建立的气泡纵横比的预测模型代入到Tomiyama气泡上升末速度计算公式,基于实验数据对公式进行修正,获得了能够准确计算负载颗粒气泡上浮末速的预测模型,不同尺寸气泡的预测结果与实验值的相对误差分别为2.72%和4.17%。对曳力系数的计算表明,载颗粒气泡的曳力系数可通过Yan的模型实现预测,平均相对误差小于1%。论文包含图34幅,表12个,参考文献98篇。