磁性离子液体液滴在磁场下的定向操控及静电能量收集研究

作     者：吴建兵 

作者单位：兰州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张晓萍

授予年度：2017年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：微流体 磁性离子液体 磁滞现象 鲁棒性 静电能量收集 

摘      要：新型材料的研究与应用一直是技术创新科研领域的热门之一。离子液体作为一类新的绿色多功能溶剂或功能性软材料已经受到越来越多的关注,并已被用于许多领域。离子液体具有独特的物理化学性质,例如宽液态范围,低蒸气压,更高的离子电导率,优异的溶解性,热稳定性,并且通过合理调节阳离子和阴离子的组合可以合成新的离子液体。磁性离子液体不仅具有上述优点,更重要的是它能在所施加的外部磁场中表现出顺磁性行为。这些性质使得磁性离子液体在微流体领域具有比常规离子液体更多的优点和应用前景。目前对于磁性离子液体性能的研究较少,而磁场作用下,纯磁性离子液体液滴在疏水材料特氟龙上的研究尚未看到报道。本文的研究围绕新型材料磁性离子液体(选取具有代表性的两种磁性离子液体:1-乙基-3-甲基咪唑四氯化铁酸盐([Emim][FeCl4])与1-丁基-3-甲基咪唑四氯化铁酸盐([Bmim][FeCl4])。在玻璃表面镀上疏水材料特氟龙薄膜,通过外加磁场对离散磁性离子液体液滴进行定向操控,发现了磁性离子液体液滴的一些新现象并加以解释:首先,研究了两种磁性离子液体液滴在给定的三种不同体积时,增加和减小外加磁场来研究磁性离子液体液滴的形状变化,实验结果表明:磁场的改变能引起磁性离子液体液滴接触角改变,两种磁性离子液体液滴的归一化直径(液滴与特氟龙薄膜的接触直径)与归一化高度在不同体积的情况下都呈现出磁滞现象;并研究了三种温度条件(25℃、40℃、60℃)下,磁性离子液体在磁场作用下液滴的形变情况,实验结果表明:两种磁性离子液体液滴的归一化直径与归一化高度对温度变化都呈现出良好的鲁棒性。接着,研究了磁场牵引磁性离子液体液滴在水平方向上移动,研究表明:磁体磁场能够驱动磁性离子液体液滴移动,移动速度不仅与磁场大小有直接关系而且与液滴体积大小呈线性关系,并且磁场越强,磁性离子液体液滴体积越大,液滴越容易被驱动;而在磁场强度固定时,由于静摩擦力与空气阻力的共同作用,不同种类与不同体积的磁性离子液体液滴存在最高可达运动速度。最后,将ITO(Indium Tin Oxide,氧化铟锡)导电玻璃刻蚀出叉指电极,将其表面镀上特氟龙薄膜并对其充电,利用外加磁场牵引磁性离子液体液滴在充过电的特氟龙薄膜上移动,实现了磁场作用下的静电能量收集,实验结果表明:静电能量收集的输出电压最大幅值可达4V,20μl磁性离子液体液滴可实现78nW平均输出功率。由于本文所采用的磁性离子液体不掺杂任何其他磁性粒子,属于纯磁性离子液体,因此,实验中的磁性离子液体液滴运动连续,不存在相分离或者老化现象。离散微小液滴操纵具有潜在研究价值,其可以应用于如微流体设备设计、化学上对样品的捕获、运输、分离、纯化等。