关键词： TiO2   纳米颗粒   表面张力   气/液界面   吸附特性   扩张粘弹性  

摘要： 利用太阳能光催化分解水制氢是发展可再生能源体系的途径之一。目前研究多从光催化剂材料的光生电子传递受限角度出发,通过对材料物理化学性质的调控以提高光催化转化效率,而忽略了反应体系状态特性对材料性能的影响,使整体光氢转化效率提升受限。水相反应体系中的光催化剂颗粒易发生团聚与沉降,从而影响光线的传播及光催化剂表面对光子的吸收作用,使得有效光催化表面积减少,产氢及转化效率降低。催化剂颗粒在气泡表面的有效吸附,是实现颗粒在体相再分散的有效方法之一;研究催化剂颗粒在气液界面的吸附特性,调控催化剂颗粒在气液界面的分布,对优化颗粒有效分散、提升光催化转化效率具有重要意义。本文通过基于形貌分析的悬滴法,实验研究了不同亲疏水性纳米TiO2颗粒在未添加表面活性剂的情况下,在气/液界面吸附的表面张力、表面过剩浓度、扩张粘弹性、扩张相角的变化规律,探讨了光催化剂颗粒在界面的吸附及其对界面热力学特性的影响机制,以及在界面的扩散吸附机制对界面性质的影响规律。研究发现:亲水性TiO2颗粒使表面张力增大,而疏水性TiO2颗粒在表面吸附会使表面张力减小,且两种变化都会随着颗粒浓度的增大而加剧;通过Gibbs等温吸附理论分析得出,亲水性颗粒在体相内的浓度要高于界面浓度,为负吸附,因此表面的水分子受到更强的向内的拉力,使得表面张力增强;而疏水性颗粒更容易分布在两相界面处,为正吸附,使得来自内部的吸引力减小,因此表面张力降低,且大直径颗粒能够对表面张力造成更大的影响。此外,温升会增大悬浮液内分子间距离而使表面张力减小,表面张过剩浓度增大。亲水性TiO2颗粒悬浮液的扩张模量、扩张弹性、扩张粘性随着颗粒浓度增加大幅提升。疏水性纳米TiO2颗粒悬浮液的扩张模量与扩张弹性随颗粒浓度有所增加;其中,大直径颗粒悬浮液的扩张模量与扩张弹性的增加数值要远大于小直径颗粒悬浮液;而扩张粘性与扩张相角随浓度的变化,则表现出近似的变化趋势。两种不同亲疏水性颗粒悬浮液的扩张模量与扩张弹性都会随着扩张频率的增大而上升,而扩张粘性随着频率而快速下降并趋近于零,并使最后的气液界面趋向于纯弹性界面。通过对L—T模型的拟合分析,证明界面变化过程中存在扩散弛豫。两种不同亲疏水性TiO2悬浮液中加入Na2SO4后,表面张力快速降低,纳米颗粒在界面的吸附浓度增加,亲水性颗粒由负吸附变为正吸附;扩张参数的变化基本一致,随着Na2SO4浓度的升高,扩张模量、扩张弹性、扩张相角整体有所上升,幅度随颗粒浓度与直径的变化各有不同,扩张粘性则是在一定范围内波动且无明显趋势。通过离子浓度的调控,可以强化TiO2颗粒在气液界面的吸附并改善界面稳定性。

关键词： PBIA   干湿法纺丝   流变性能   表面张力   可纺性  

摘要： 杂环芳纶(PBIA)具有高强高模、耐热、耐老化、阻燃、耐化学等优异性能,集轻量化、抗弹性、隐身和结构性于一体,可以满足航空航天、武器制造、防弹装备和船舶航海等一系列领域的迫切需求,对我国作战能力和国际竞争力的提高有着重要的战略意义。但是,目前我国的PBIA长丝主要采用湿法纺丝工艺进行低速制备,造成生产效率低、产品成本高。而适合于生产高性能长丝的干湿法纺丝技术由于受到原液可纺性的限制,目前还未应用到PBIA长丝的工业化生产中。本文通过研究PBIA纺丝原液流变性能和表面张力与其可纺性之间的内在联系,通过改变原液流变性能和表面张力实现了对原液可纺性的有效调控;系统性地探究了不同助剂对原液流变性能和表面张力的影响规律,通过微量添加助剂提高了原液的可纺性,实现了 PBIA纤维的干湿法纺丝;探究了助剂的添加方式和不同工艺条件对PBIA纤维结构与性能的影响,优化了PBIA纤维干湿法纺丝工艺条件。 首先,通过稳态流变测试和动态流变测试对原液在不同温度和不同流变助剂下的流变行为与其可纺性的关系,对比了不同流变助剂对原液流变性能的影响,明确了适用于PBIA纤维干湿法纺丝的流变助剂种类和添加量,并对流变助剂的添加对纤维结构与性能的影响进行了研究。结果表明:在目前PBIA原液流变性能的基础上,通过提高其粘度可以有效地改善其可纺性。通过降低温度会在提高原液粘度的同时大幅度提高其弹性,对可纺性的改善效果有限;而通过添加适量的聚乙二醇,可以在保持原液弹性较小的条件下有效提高原液的粘度,显著提高原液的可纺性并达到3.0的喷丝头最大拉伸比;原液的可纺性随聚乙二醇分子量的增大先提高后下降,随聚乙二醇含量的增大先提高后趋于稳定,当添加0.5wt.%的聚乙二醇50000时,原液具有最佳可纺性。 继而,研究了不同表面活性剂作用下原液的表面张力及其对可纺性的影响,明确了适用于PBIA纤维干湿法纺丝的表面活性剂种类和添加量,并对表面活性剂对纤维结构与性能的影响进行了分析。结果表明:BYK-333对原液的表面张力有显著的降低作用,在0.2wt.%的添加量下就可以将其表面张力由35.87mN/m降低到22.00mN/m;通过添加少量的BYK-333,就可以有效地提高原液的可纺性并实现其干湿法纺丝;原液的可纺性随BYK-333添加量的增大先提高后减小,当添加量达到临界胶束浓度时,原液具有最佳可纺性。 在前述研究的基础上,在PBIA纺丝原液内中添加0.5wt.%的聚乙二醇(PEG-50000)进行干湿法纺丝,对纺丝过程中工艺条件对原液可纺性的影响规律进行了研究,并分析了纺丝方法和喷丝头拉伸比对纤维结构与性能的影响,证实通过干湿法纺丝制备高性能PBIA纤维的可行性。结果表明:原液的可纺性会随着空气层高度的增加或喷丝速度的下降而提升;凝固浴的温度和浓度对原液的可纺性影响不大;干湿法纺丝制备的PBIA纤维具有更接近圆形的截面、更光滑的表面和更优异的力学性能;随着干湿法纺丝中喷丝头拉伸比的增大,纤维的表面越来越光滑,结晶度和取向度先增大后减小,力学性能逐渐提升。 本研究从解决PBIA原液的干湿法可纺性问题入手,通过加入微量助剂的方式调控原液的流变性能和表面张力,改善了原液的可纺性。明确了原液流变性能和表面张力与其可纺性之间的内在联系,并通过干湿法纺丝制得PBIA纤维,明确了纺丝工艺、助剂添加量等因素对纤维结构与性能的影响规律。

关键词： 速度矢量传感器   皮托管   随动机构   差压受感器   直升机下洗流场   结构设计优化  

摘要： 直升机可以做悬停、前后、上下、左右全方向的飞行,但是常规的空速管由于结构固定不动,只能测量前飞一个方向上的速度,不能满足直升机的测速需要。当直升机飞行速度较低时,空速管处于旋翼的下洗气流中,所受干扰很大导致测速不准确,既影响直升机飞行包线的使用,也威胁直升机的飞行安全。因此,有必要设计一种随动式速度矢量传感器用于直升机全向及低速飞行时测速。其总静压受感器部分能够跟随来流转动实现精准测速,差压受感器可以解算飞行姿态,从而得到直升机飞行的速度矢量。具体研究内容和成果如下: (1)基于伯努利原理,提出了全新的随动式速度矢量传感器总体设计方案,研究了总静压受感器总压开口形式、静压孔位置等对总静压测量的影响,并通过数值计算方法优化了总静压受感器的结构设计参数。 (2)设计并优化了随动式速度传感器的随动机构,包括三层关节轴承转动元件和后掠十字形风标驱动机构,用于实现传感器及时准确跟随来流转动的功能。 (3)设计了差压受感器并仿真分析,优化了差压孔的性能,确定了整个传感器的防水设计、防除冰设计、支臂和接管嘴设计的方案。 (4)完成了直升机数字建模工作,通过流场仿真确定了随动式速度矢量传感器在机身上的最优安装位置,得到了部分旋翼下洗流的分布规律。 (5)通过仿真和试验两种方法,验证了整个随动式速度矢量传感器装配和制造后的性能均符合设计时的要求。

关键词： 毛细对流   Czochralski结构   变形表面   流动稳定性   表面张力  

摘要： 提拉法（Czochralski法）,简称Cz法,是目前人工制备单晶硅棒等高纯度晶体材料最主流的方法之一,其过程中熔体内存在的耦合热-溶质毛细对流使内部热质输运变得相当复杂,另外,耦合毛细对流稳定性改变在系统内诱导产生的温度、浓度波动也将直接影响生长晶体的质量。毛细对流稳定性研究为优化晶体生长技术提供了丰富的理论指导,但为了简化物理过程,大量相关研究采用了忽略自由表面变形的平表面假设,这导致了数值模拟结果和实验观测总是存在一定差异。因此,本文以Cz法制备二元晶体过程中熔体内耦合热-溶质毛细-浮力对流为研究对象,建立具有变形自由表面的Cz结构模型,采用数值模拟的方法分析研究了热毛细雷诺数Re T、变形条件、毛细比Rσi和熔体深度对耦合流动的影响,获取了熔体内三维对流的结构和特性,捕获了对流失稳临界条件及流型转变规律。首先,在Rσi=-1的工况下研究了不同类型变形结构对熔体内耦合热-溶质毛细-浮力对流的影响,其中A类变形（DA）指仅考虑坩埚侧壁润湿效应,B类变形（DB）在A类变形的基础上考虑了晶体提拉过程中形成的生长角,以体积比Vr定量描述表面变形的程度。结果表明,Vr对流动的影响主要体现在临界条件和流动特性上,当Re T较小时,系统内出现二维轴对称稳态流动,称基本流动,熔体内形成回流型涡胞,传热、传质呈准扩散态。当Re T超过临界值时,流动失稳形成三维流动,仅考虑润湿效应时（DA）,自由表面上流型随Re T增大由内外双层复合结构转变为4波数轮辐状;同时考虑润湿和生长角引起的变形时（DB）,流型由晶体界面附近不规则块状结构转变为准对称花瓣状;熔体内部形成方向相反的热、溶质毛细对流涡胞,分别占据晶体侧和坩埚侧,浮力作用主要体现在弯月面下方。仅考虑润湿效应时,流速和溶质毛细对流强度随Vra增大而降低,临界ReT随Vra增大而增大;同时考虑润湿和提拉效应时,流动特征变化规律规律但临界ReT普遍偏小。其次,固定两种变形条件(Vra=1.11,Vrb=1.10),通过分析毛细比Rσi对流型转变及流动结构的影响揭示了各驱动力的物理作用机制。结果表明,Rσi直接影响流型的转变规律和终态流型,当Rσi=-2时,熔体内部主流溶质毛细涡胞受浮力对流影响显著,自由表面上形成分层波纹状流型;随Rσi和Re T增大,浓度波动较弱的轮辐状流型先转变为花瓣状而后转变为径向热毛细对流占完全主导的直辐条状结构,Vrb=1.10时流型无第一阶段变化,花瓣状流型逐渐向直辐条状转变。随着Rσi增大,内部溶质毛细对流逐渐被热毛细对流抑制,主流随Rσi增大而增强,但流速上升的趋势在Re T较大时更显著,流动失稳的临界Re T随Rσi增大而增大。最后,在Vra=1.11,Rσi=-0.2的工况下研究了熔体深度对复杂对流的影响,结果表明,与浅液池相比,深液池中浮力将大幅强化熔体内部流动,基本流场内相同Re T下流速即以数量级增大,浓度分布不再保持准扩散态,流动失稳后时空有序的温度波动首次出现,熔体内部仅存在单一热毛细对流涡胞,底部浮力对流与主流相比极微弱,自由表面流速随深径比增大而大幅上升。

关键词： 纳米柱   法向离心力   表面张力   食源性致病菌   抗菌能力  

摘要： 微生物污染是引起食品腐败变质及食源性疾病的主要原因之一,全世界每年有数以亿计的人因此罹患食源性疾病,同时造成食品的浪费和经济的巨大损失。人们为此开发了一系列抗菌剂和抗生素,但其往往伴有较大的毒副作用,并且会因细菌耐药性增强而产生超级细菌,因此迫切需要发展新型的抗菌手段。近年来,通过微加工技术在相关材料表面引入微结构被证实具有抗菌作用,这类抗菌方法因其安全性、有效性和稳定性而成为研究的热点。然而,相关机制和调控手段仍存在争议,限制了其在实际生产生活中的应用潜力。本研究探究了纳米柱修饰表面材料在法向外力作用下对细菌细胞膜的破坏作用及其抗菌机制,以期对实际食品领域的应用提供理论依据和数据支撑。首先,本论文通过电感耦合等离子体反应离子蚀刻法在材料表面制备氮化镓（GaN）纳米柱结构;通过水热反应法在玻璃表面制备二氧化钛（Ti O2）纳米柱结构,随后使用扫描电子显微镜、接触角测量仪等对材料的表面微结构和浸润性进行表征。结果表明,成功在材料表面制备得到纳米柱微结构,并且GaN和Ti O2纳米柱修饰表面的接触角分别由81°和79°提高至约94°和110°。其次,本论文探究施加法向离心力后纳米柱修饰材料表面的抗菌情况,并结合计算机模拟计算分析法向力对该表面抗菌效果影响的分子机制。以大肠杆菌O157:H7为研究对象,观察离心后GaN纳米柱修饰材料表面大肠杆菌在不同大小法向离心力作用下的死亡情况。荧光染色观察结果表明,未修饰的平面材料上细菌存活状态良好,表明单纯施加离心力无法杀死细菌;在纳米柱修饰表面,未离心情况下细菌的死亡率为5.47±4.23%,而在100 g以上的法向离心力作用下纳米柱修饰表面细菌的死亡率提高至97.11±1.06%及以上,几乎杀死了纳米柱修饰表面上的所有细菌。扫描电镜结果表明,随着离心强度增加,纳米柱修饰表面上的细菌形变增加,受到纳米柱对其的破坏程度增大。计算机模拟结果与实验结果一致,即随着法向离心力增大,细菌膜结构形变增加。最后,本论文将抗菌实验与计算机模拟结合,探讨了表面张力对纳米柱修饰材料表面抗菌作用的影响及其机制。在食品领域常用材料Ti O2表面修饰纳米柱微结构,在其上培养细菌后将其在室温环境下自然晾干,观察溶液晾干过程中产生的表面张力对材料表面大肠杆菌O157:H7和金黄色葡萄球菌这两种常见食源性致病菌的抗菌效果。荧光染色结果表明,随着溶液蒸发,两种细菌在未修饰的平面材料表面生存状态良好;而在纳米柱修饰材料表面,表面张力的法向分力能够杀死细菌,其中对大肠杆菌O157:H7的致死率达到91.92±6.08%,而对金黄色葡萄球菌的致死率为23.56±8.48%,这一方面可能是由于金黄色葡萄球菌作为革兰氏阳性菌相对大肠杆菌具有更厚的外膜,对纳米柱的损伤具有更强的抵抗力,另一方面也是其更容易发生聚集、堆叠而使杀菌效果降低所导致的。综上所述,本论文通过微加工手段在材料表面引入纳米柱微结构,并对该表面施加离心力或表面张力等法向作用力,从而加强纳米柱与细菌间的相互作用,使纳米柱破坏细菌膜结构,从而杀死细菌,在此基础上结合计算机模拟方法进一步探讨该杀菌作用的分子机制,为该物理杀菌机制的应用及抗菌材料设计开发提供科学基础和理论依据。

关键词： Ti-Zr-Hf-Si   二元合金   三元合金   四元合金   表面张力   实验测量   Butler方程  

摘要： 通过反应熔渗（Reactive melt infiltration,RMI）将高温合金熔体引入C/C复合材料中,并和预先沉积的基体材料发生反应从而形成超高温陶瓷是提高C/C复合材料耐烧蚀性能的重要方法之一。当前,选取Hf、Zr、Ti等过渡族金属与Si等组成的多元合金,通过RMI工艺对C/C复合材料进行改性已逐渐成为高温复合材料研究领域的新趋势。表面张力作为合金熔体一项基本的热物理参数,对合金熔体向C/C复合材料微孔中的渗透具有重要影响。因此,本工作采用悬滴法测量上述多元合金熔体1773-2173 K的表面张力,并运用Butler理论模型计算合金熔体表面张力。通过实验测量值与计算值的比对,获得了合金熔体表面张力随组分和温度的变化规律,主要结论如下:（1）二元（Ti-Zr、Ti-Hf、Si-Ti、Si-Zr和Si-Hf）和三元（Ti-Zr-Hf、Si-Ti-Zr、Si-Ti-Hf和Si-Zr-Hf）合金熔体表面张力测量值与计算值之间的差异范围仅为0.3%-4.8%,实验测量值与理论计算值具有非常好的契合度,表明Butler模型可适用于高熔点过渡族金属二元和三元体系合金熔体表面张力的计算;（2）Ti-Zr、Ti-Hf二元及Ti-Zr-Hf三元合金熔体的表面张力会随着Zr或Hf含量的增加而呈现类似线性增加的变化趋势;而含Si二元和三元合金熔体的表面张力会随着Ti、Zr或Hf含量的增加而呈现出先增加后减少的规律;（3）Ti0.142Hf0.189Zr0.568Si0.1四元合金熔体在1873 K、1973 K和2073 K的表面张力分别为1538、1511和1496 m N/m;而在同一温度下,Ti-Zr-Hf-Si四元合金熔体表面张力随着Si含量的增加而减少,在2073 K,Ti:Hf:Zr:Si=3:4:12:,当Si的摩尔分数（）从0.05增加到0.15时,表面张力从1515 m N/m减少到1486 m N/m;（4）对于可形成无限固溶体的合金体系（Ti,Zr和Hf）,当合金熔体中加入高表面张力的Zr或Hf组分时,合金熔体表面张力会随着其含量的增加呈现出类线性增加的趋势;而对于含Si合金体系,由于合金熔体中存在短程有序的Si-Ti、Si-Zr或Si-Hf等金属间化合物的原子团簇从而使表面张力降低,最终导致其合金熔体表面张力随成分的变化呈非线性关系;（5）在高真空度的表面张力测试条件下,低熔点组元（Si或Ti）的挥发会导致合金熔体成分发生变化,即高熔点（高表面张力）组元含量相对增加,从而导致合金熔体表面张力轻微增加;而引入的少量C杂质及其在熔体表面的偏析会降低表面张力;本研究中合金熔体表面张力实验值与计算值的差异主要源于上述两种因素共同作用的结果。图63幅,表17个,参考文献156篇

关键词： 扁平微槽道热管   表面张力   流动模型   传热模型   毛细极限   强化传热   充液率  

摘要： 强化传热同时减小热管理元件的尺寸在电子器件冷却等领域至关重要,扁平微槽道热管由于其传热效率高、加工简便和结构紧凑等优点得到广泛关注。通过理论建模的方法可以经济高效地对热管进行性能研究,但目前文献中对热管的理论模型研究还存在一些不足,如较少考虑液堵段,较少考虑气相温度变化等,这均会影响模型的精度。本文将针对扁平微槽道热管(flat micro-grooved heat pipe,FMGHP)建立流动传热模型并设计实验对其进行验证,最后借助所建立模型对热管进行性能强化研究。首先建立了FMGHP的流动模型和传热模型,流动模型基于质量守恒、动量守恒和Young-Laplace方程,给出了液相动量方程中毛细力项和相变动量项的物理意义,通过考虑接触角变化建立了液堵段模型,借助四阶龙格库塔方法求解。传热模型为节点热阻模型,考虑了气相温度变化的影响,提出了流动传热模型耦合求解算法来计算热管表面温度分布。随后利用蒸发排气法灌装了充液率分别为27.82%、30.06%和36.69%的铝-丙酮FMGHP,搭建热管传热性能实验台测量其在不同加热功率下的壁面温度分布,并将测量结果与计算结果进行对比。最后借助所建立的模型计算了热管的毛细极限,同时考虑了由蒸干导致的蒸发极限和由液堵导致的冷凝极限,给出了最佳充液率的计算方法,并探究了槽道几何结构参数对毛细极限和最佳充液率的影响。流动模型计算结果表明,毛细力项对计算结果影响较大,相变动量项的影响相对较小,本例中可以忽略,且液堵段的存在拓宽了流动模型在加热功率上的可应用范围。将实验测量的表面温度分布与模型耦合求解结果对照,发现考虑气相温度变化的传热模型与实验结果符合较好,最大平均绝对偏差为2.76℃。所建立的铝-丙酮FMGHP灌装装置充液不确定度为±7.71%。通过毛细极限模型的计算,铝-丙酮FMGHP毛细极限为15.20 W,最佳充液率为32.78%,毛细极限随气腔厚度、槽道深度、肋脊高度和槽道倾斜角的增加而增加,最佳充液率对槽道结构变化不敏感,基本在33%上下浮动。综上,本文利用理论建模和实验验证的方法探究了铝-丙酮FMGHP的流动传热性能并对其进行了强化传热研究,本文所得到的结论与结果对热管内部气液两相传输机理具有一定理论价值,对热管的工程应用设计也具有理论指导意义。

关键词： 超快激光   局域应力场   表面张力   双温模型   分子动力学模拟  

摘要： 液体表面张力在先进制造技术,微流控技术以及多种化学/生物工程技术扮演着至关重要的角色。相较于现代固态电子性质的超快调控技术,人类对液体表面原子结构的操控长久以来局限在宏观时空尺度。与此同时,飞秒激光已被广泛应用于超限制造和加工技术的研发之中,展现出对微纳尺度的物质结构与热力学性质精准调控的巨大优势。本论文基于电子-原子双温模型与分子动力学结合的计算机模拟技术,发展了一套超快激光辐照作用下金属液体表面热力学量时空演化的高精密度计算方法,并应用于低剂量单脉冲飞秒激光和皮秒激光辐照下的金属液体表面体系（Al、Ti和Ni）中。本文展示了以超短时能量包注入方式精密操控物质界面原子结构的理论可能,预言了飞秒激光诱导的表层以下非流体静压区域的形成以及表面张力数值的超快调节效应。本文凭借高精度压强张量和应力的时空演化阐释了表面张力超快调控的物理机制,提出了关于飞秒激光辐照引起的粒子堆积弛豫各向异性的新见解。与此同时,本文还发现在相同辐射能量吸收下,由于脉宽长度远大于液体本身密度弛豫特征时间尺度,单脉冲皮秒激光无法对熔融金属表面力学性质实现调节。本论文的研究发现,为探索处于极端非平衡态的超快物理过程及相关性质的动力学演化提升了统计精度标准,并有望将金属表面控制工程提升到一个新层次,启发新应用潜能,如:超快表面定向质量输运和液体表面形貌/纹理的控制等。

关键词： 烃氧基羧甲基淀粉醚   粘度   疏水化   表面张力   乳液  

摘要： 羧甲基淀粉(CMS)由于其原料价廉、易得、生物相容性好以及有一定的增稠性和表面活性已广泛应用于工农业生产中。本文所做的工作是以工业级CMS为原料,通过一步法与烃氧基缩水甘油醚(C4、C8-10、Bn)反应合成烃氧基羧甲基淀粉醚(AGCMS-C4、AGCMS-C8-10、AGCMS-Bn),并对其结构与性能的关系进行系统探究,以期探究合适的应用领域,以及进一步提高性能,提供改进分子结构方案。本论文选用工业品CMS(羧甲基取代度DSCM为0.32,粘度:200-400 m Pa·s)与正丁基缩水甘油醚(BGE)通过一步法醚化反应,制备了丁氧基羧甲基淀粉醚,固定n(BGE):n(AGUCM)=0.58(AGUCM为本文取代度为0.32的羧甲基淀粉葡萄糖单元分子量,187.6 g/mol)通过正交实验和单因素实验,考察了水用量、反应温度、反应时间对丁氧基羧甲基淀粉醚上BGE取代度的影响,确定了较佳合成条件m(H2O):m(CMS)=10、反应温度为70℃、反应时间为4 h。在此条件下,制备了一系列取代度不同的烃氧基羧甲基淀粉醚(AGCMS-C、AGCMS-C、AGCMS-Bn)(AGCMS-C、AGCMS-Bn制备所用溶剂为水-乙醇混合溶剂),并通过核磁共振谱、红外光谱等确定了结构。研究了烃氧基羧甲基淀粉醚结构与粘度性能关系。结果发现:疏水基团为C4或Bn,并且取代度高达MS=0.45时,粘度没有显著提高;疏水基团中碳链较长时(C8-10),并且只需较小取代度(MS=0.073),粘度就可达到原CMS溶液的4.62倍。以粘度性能最优的AGCMS-C8-10(MSC8-10=0.073)为例,详细探究p H、盐含量、转速、放置时间对其水溶液粘度性能的影响。实验结果表明:AGCMS-C8-10水溶液在p H=5下,粘度仍能保持1253 m Pa·s;粘度指数相较CMS提高了4.0%;放置7天后,其水溶液粘度损失率(6.06%)相比与CMS溶液下降了8.14%;溶液流动性、耐剪切性、溶解时间减少。同时考察了疏水基取代度、浓度对AGCMS水溶液表面张力的影响,实验表明,与CMS相比,AGCMS(C8-10、Bn)具有较好的表面活性,表面张力由54.4 m N/m可降低至32.88 m N/m。以AGCMS-C8-10(MSC8-10=0.073)为乳化剂、水为连续相、液体石蜡为不连续相制备得到一种水包油乳液,详细探究了乳化剂浓度、油水比、p H值、盐浓度对乳液乳化性能的影响。结果发现:乳化剂浓度越高,乳液稳定性越好;最佳油水比为40:60(m L/m L),在酸性以及含盐条件下乳液稳定性更好,可稳定保存190 d以上。上述研究结果表明,CMS经醚化引入疏水性基团制备的AGCMS(C8-10、Bn),具有更优益的增黏性和表面活性,可在疏水改性羧甲基淀粉领域开展应用研究。

关键词： 纳米SiO2   润湿性调控   非水相溶剂   表面张力   发泡性能  

摘要： 非水相泡沫在石油开采、石油化工、食品加工和多孔功能材料等领域有着十分广泛的应用。然而,非水相溶剂自身具有的低界面张力和低介电常数,致使发泡难度增加。纳米二氧化硅（SiO2）颗粒由于具有优良特性,通过接枝改性调控其表面润湿性能,在非水相溶剂中的发泡研究工作受到关注。本论文探究纳米SiO2表面润湿性对非水相溶剂发泡性能的影响,揭示纳米SiO2表面润湿性对非水相溶剂发泡性能的影响规律。取得了下列具有创新性的研究成果: 1、采用溶胶-凝胶法制备粒径可控且单分散性较好的纳米SiO2颗粒。探究最佳实验条件,并用Zeta电位分析仪、透射电子显微镜和场发射扫描电子显微镜对纳米SiO2颗粒的粒径分布和微观形貌结构进行表征。 2、分别采用有机氯硅烷法和硅烷偶联剂法实现纳米SiO2颗粒表面润湿性的调控。通过改变二氯二甲基硅烷（DCDMS）、γ-（甲基丙烯酰氧）丙基三甲氧基硅烷（KH-570）、γ-氨丙基三乙氧基硅烷（KH-550）用量、反应温度以及反应时间,探究其对纳米SiO2颗粒表面润湿性的影响。并用Zeta电位分析仪和接触角测量仪对纳米SiO2颗粒粒径和表面润湿性进行表征。通过场发射扫描电子显微镜、透射电子显微镜对纳米SiO2颗粒的微观形貌进行表征,通过傅里叶变换红外光谱仪对其结构进行分析表征,采用热重分析仪对纳米SiO2颗粒的热稳定性进行分析。 3、揭示DCDMS修饰的系列润湿性的纳米SiO2颗粒在不同极性溶剂中的发泡性能的影响规律。当改性纳米SiO2颗粒的浓度为7.0wt.%,纳米SiO2颗粒接触角分别为90.75°、86.0°、79.0°、70.5°、66.75°和52.0°时,分别在水、甘油、甲酰胺、乙二醇、乙酸苄酯和α-溴萘中所形成的泡沫体积达到最大值,含气率分别为75.0%、62.5%、70.0%、57.1%、50.0%和45.5%。因此,随着溶剂极性的增大,纳米SiO2颗粒的最佳接触角也在增大,发泡性能随之增强,发泡溶液的表面张力降低量最明显,分别为37.5m N/m、23.1 m N/m、25.0 m N/m、14.2 m N/m、8.0 m N/m和6.0 m N/m。对于非极性有机溶剂正十二烷和甲苯,改性纳米SiO2颗粒则不具备发泡能力。 4、探讨溶剂极性对非水相溶液的影响规律。随着溶剂极性的增大,发泡溶液表面张力的降低量越大,其表面活性增强,越有利于泡沫的形成,发泡体积随之增大。随着改性纳米SiO2颗粒浓度的增大,发泡溶液的表面张力降低就越大,发泡性能得到增强。当改性纳米SiO2颗粒浓度为7.0wt.%时,最佳接触角下的改性纳米SiO2颗粒加入到水、甘油、甲酰胺、乙二醇、乙酸苄酯和α-溴萘等六种溶剂中,其形成的发泡溶液表面张力降低幅度最大,发泡体积最高。