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液体单向渗透机理分子动力学模拟研究

液体单向渗透机理分子动力学模拟研究

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作者：刘朋博浙江大学

学位级别：硕士

单向渗透材料具有单向传输液体的能力而得到研究者的广泛关注,在智能纤维、分离技术、燃料电池等领域具有广阔的应用前景。单向渗透与基体的润湿性质、厚度及孔道结构等均有关系,但是对于其单向渗透的机理缺乏一个微观的解释。本文以分... 详细信息

单向渗透材料具有单向传输液体的能力而得到研究者的广泛关注,在智能纤维、分离技术、燃料电池等领域具有广阔的应用前景。单向渗透与基体的润湿性质、厚度及孔道结构等均有关系,但是对于其单向渗透的机理缺乏一个微观的解释。本文以分子动力学模拟为手段研究单向渗透的机理和规律,在此基础上指导单向导水纤维的制备。以单原子固液体系为研究对象,从势能角度研究了液体在均一润湿性孔道中的渗透特性。在亲水性孔道中渗透时,入口处为势阱,出口处为势垒;在渗透过程中前端凹液面的渗透速度与经典毛细运动方程及文献结果有较好的吻合。疏水性孔道入口处对液体是一个较强的势垒,液体需在外加重力的作用下克服势垒才能渗入。考察了液体在非均一润湿性孔道中的单向渗透特性。从微观角度研究了单向渗透的机理,疏水层到亲水层(正方向)渗透过程中势能逐渐减弱,是自发过程;亲水层到疏水层(反方向)渗透过程势能逐渐增大,是非自发过程。正方向渗透过程分为两个阶段,首先液体渗入整个孔道,是一个快速过程,驱动力为亲水层的吸引力,需克服疏水层孔道的势垒;接着液滴渗过孔道,是一个慢速过程,。亲水层具有较低的相互作用能量,液滴逐渐渗过孔道到达能量最低的亲水层。反方向渗透时,液滴首先接触到能量最低的亲水层,在没有外力的作用下,液体不能渗过孔道。揭示了液体单向渗透的基本规律。亲水层亲水性较强,且厚度较大时,驱动力更大,更倾向于具有单向渗透的性能且正方向反方向渗透压差别较大,渗透速度快;疏水层疏水性较弱且厚度较薄时,渗透阻力较小,会有利于单向渗透;孔径增大使得单向渗透更为容易,渗透速度更快。外加重力场的存在使得两层基体润湿性、孔径及疏水层厚度在更大范围内具有单向渗透的特性,拓宽了单向渗透对材料的要求。减小疏水层疏水性及厚度,增大亲水层润湿性及厚度,增大孔径,在反重力场下依然具有单向渗透的性能,其渗透机理与无重力情况类似。采用溶液喷涂的方法,以涤纶纤维为基材,在纤维一侧喷涂PS/氯仿溶液,形成由疏水性较弱且厚度小的疏水层和超亲水性且厚度大的亲水层组成的纤维薄膜。具有单向导水的性能,正方向和反方向渗透压有较大差值。

关键词：均一孔道非均一孔道单向渗透分子动力学模拟喷涂

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