分离压作用下表面活性剂溶液的铺展特性研究

论文摘要

含有表面活性剂的液滴放置在预置液膜表面上时,液滴会出现铺展现象,表面活性剂通过改变物系的界面状态进而改变其铺展等过程,使铺展呈现复杂的指进现象和Marangoni效应,且具有强烈的非线性特性。当薄膜厚度小于100nm时,此时在含有表面活性剂的液滴铺展过程中,分离压将控制液膜铺展特性,并决定液膜的稳定性和润湿性,不同的分离压效应对于液膜铺展过程起着加速或延缓的作用,并对铺展的稳定性和干斑的形成速度有着显著的影响。本文通过结合微观分子动力学、表面胶体化学和宏观流体动力学,根据活性剂溶液的非均匀铺展特征,确定合理的非均匀铺展过程中分离压模型;基于扩散理论和边界层理论,建立分离压作用下的液膜厚度、液膜表面和溶液内部的单分子浓度的三方程理论模型,采用截面平均法和摄动法推导上述特征量在基态和扰动态下的高阶非线性偏微分演化方程组;利用PDECOL程序对分离压模型分别为Π= 0、Π=Π（ h）、Π=Π( h , hx,hxx)下的基态方程组进行模拟,获得液膜厚度、液膜表面和溶液内单分子浓度的演化特征,分析不同分离压模型下最大液膜厚度、临界破断点和铺展前缘等铺展参数的变化,分析预置液膜与液滴厚度之比、毛细力数、吸附系数、难溶性系数等参数的影响规律;研究由分子间引力和斥力的不同作用引发的液膜加速铺展或者憎水现象,揭示不同分离压作用下液膜铺展过程的动力学特性;借助数值模拟技术,通过计算扰动能量放大比以及瞬时扰动增长率,结合非模态稳定性理论分析瞬间液膜铺展的稳定性。本文完善了该领域的基础理论,促进了活性剂铺展过程在实际过程中的应用,并对可深入研究的方向进行了展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 主要符号表
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 表面活性剂溶液的铺展
• 1.2.1 指进现象
• 1.2.2 Marangoni 效应
• 1.3 分离压概述
• 1.4 活性剂液滴铺展过程的稳定性
• 1.5 国内外研究现状
• 1.6 课题研究内容、方法及难点
• 第2章 活性剂溶液非均匀铺展的理论模型
• 2.1 非均匀铺展的分离压模型
• 2.1.1 引言
• 2.1.2 合理的分离压模型
• 2.2 理论模型
• 2.2.1 控制方程
• 2.2.2 边界条件
• 2.2.3 表面张力表达式
• 2.3 活性剂液滴铺展过程的演化方程
• 2.3.1 无量纲化
• 2.3.2 演化方程的推导
• 2.4 本章小结
• 第3章 铺展特征数值模拟
• 3.1 计算方法
• 3.2 初始条件和边界条件
• 3.2.1 基态初始条件及边界条件
• 3.2.2 扰动态初始条件及边界条件
• 3.2.3 无量纲参数的取值范围
• 3.3 数值模拟结果与分析
• 3.3.1 Π模型下活性剂溶液的铺展特性
• 3.3.2 不同Π模型下活性剂溶液的铺展特性
• 3.4 本章小结
• 第4章 分离压下活性剂液滴铺展稳定性研究
• 4.1 引言
• 4.2 非模态稳定性理论
• 4.3 瞬态增长法
• 4.4 扰动结果与分析
• 4.4.1 典型的基态、扰动态演化历程
• 4.4.2 扰动能量放大比及瞬间扰动增长率
• 4.5 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及其它成果
• 致谢
• 论文摘要