IMECH-IR  > 国家微重力实验室
多组分复杂胶体液滴蒸发沉积动力学研究
英文题名Study on Evaporative Deposition Kinetics of Multi-component Colloidal Droplets
孙弘辉
导师蓝鼎
2018-05-24
学位授予单位中国科学院大学
学位授予地点北京
学位名称硕士
学位专业一般力学与力学基础
关键词液滴蒸发 干燥沉积 裂纹 沉积形态
英文摘要

       液滴在基底上的干燥沉积在新材料的制备、涂层技术、生物医学检测等领域有着巨大的潜在应用价值。因而以胶体液滴为模型实验体系来研究沉积图案的动力学机理受到了广泛的关注。然而,液滴的蒸发干燥过程是一种非平衡、非线性的过程,影响液滴沉积的因素存在耦合关系,使得研究面临非常大的挑战。即使是最简单的纯液相液滴,至今也仍有许多问题有待解决。

       近年来越来越多的研究表明,血液等生物液液滴的干燥沉积可用于生理、病理等方面的检测和诊断。全血或血浆、血清液滴具有丰富的沉积形态,当其组分发生变化时,会在沉积形态中反映出较明显的差异,因此有可能将疾病与沉积图案进行关联,进而快速对人体或其他生物机体的生理健康状况,发生病变的部位和原因做出判断。然而血液作为一种复杂流体,其液滴沉积形态也同样受诸多因素影响。血液的组成成分复杂,通常包括大部分的水、大分子蛋白质、血细胞、电解质、和一些小分子有机化合物等等。各组分含量上的改变,或是组分间的相互作用造成的组分分布的改变,均会导致沉积形态改变。目前,对血液液滴沉积的研究,主要关注的是不同的液滴沉积形态与其来源的个体的生理状态或疾病间的联系。而对于沉积的形成过程及组分的变化对沉积形态的影响的研究,则相对较少。因此,我们希望通过一些组分构成简化的体系,研究部分组分间的相互作用如何影响干燥沉积,从而为建立模拟血滴沉积形态的模型体系,进一步研究血滴干燥过程及影响血滴沉积形态的因素创造条件。

       本文首先通过观察血液液滴蒸发干燥沉积形态,初步探究了血液干燥沉积物的形态特征。血液液滴干燥沉积由外围向中心呈现环状分区,不同区域干燥沉积特征差异明显,反映了蒸发干燥过程中液滴内存在径向的物质输运,使得不同的区域存在组分浓度的差异。另外,干燥过程中存在辐射状大裂纹及细裂纹分支,这说明不仅存在物质输运的沉积过程,还有沉积完成后的脱水过程。本文观察了用生理盐水以不同比例稀释后的血液液滴沉积形态。通过对比发现,随着血液浓度降低,液滴干燥沉积形态趋向于均匀,其中的裂纹等细微结构也会有较大变化。这表明血液中组分的浓度变化会影响血液液滴干燥沉积的动力学过程,因而改变了沉积形态。

       本文通过胶体微球与纳米粒子的共沉积实验,探究了影响裂纹形态的薄膜中液相的体积分数这一因素。对于单分散的聚苯乙烯胶体颗粒,通过垂直沉积法形成的沉积层的初始裂纹方向为竖直向下扩展,彼此平行。当向其中加入纳米二氧化硅颗粒后,初始裂纹方向发生明显偏转,出现两个方向的交叉裂纹。并且加入纳米颗粒的比例也会对裂纹的密度有影响。理论分析表明加入的纳米颗粒起到了调节固液交界处液相的体积分数的作用,影响了裂纹方向。

       此外,通过生理盐水加胶体微球液滴的双组分体系的蒸发干燥实验,研究了盐与大颗粒在液滴沉积形成过程中的相互作用,及其对最终沉积形态的影响。实验及理论分析发现,在蒸发干燥过程中,盐的存在影响了液滴中的微流动,因而改变了胶体颗粒的运动速度和轨迹。而胶体颗粒的存在增大了析出的盐结晶的分布范围,影响了最终的盐结晶的平均尺寸。盐和胶体颗粒的相互作用最终形成了混合液滴独特的干燥沉积形态,明显区别于单分散体系液滴的干燥沉积。

语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/73519
专题国家微重力实验室
作者单位中国科学院力学研究所
推荐引用方式
GB/T 7714
孙弘辉. 多组分复杂胶体液滴蒸发沉积动力学研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2018.
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