聚合物液滴蒸發(fā)界面驅(qū)動自組裝圖案的研究.pdf

1、液滴蒸發(fā)是自然界中常見的物理現(xiàn)象，利用液滴的蒸發(fā)過程對分散或溶解于液滴中的物質(zhì)進行排列自組裝，從而獲得期望的有序沉積結(jié)構(gòu)。對于液滴的蒸發(fā)，從溶液或懸浮液到基底，再到蒸發(fā)環(huán)境，其中一個變量的變化，都會使得界面圖形隨之而變。如何調(diào)控液滴蒸發(fā)界面形成的圖案是本文的研究重點。
　　本文主要研究了濃度、溫度、分子量、外場及第二組分SiO2的加入對水溶性高分子液滴蒸發(fā)沉積圖案的影響。利用偏光顯微鏡拍攝相應(yīng)的微液滴的蒸干后的沉積圖案，然后采用I

2、mage-Pro Plus和Origin軟件對拍攝的圖案進行處理，最后對實驗結(jié)果進行分析和討論，得出以下結(jié)論:
　　研究了無機鹽NaCl溶液以及NaCl與SiO2的混合液滴的蒸發(fā)過程。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，無機鹽NaCl對形成環(huán)狀圖案有抑制作用，隨著加入的NaCl濃度變化會產(chǎn)生樹枝狀和碎片狀結(jié)晶等其他結(jié)構(gòu)。這是由于NaCl的存在改變了液滴表面的應(yīng)力分布，削弱了由液滴中心向邊緣的毛細(xì)補償流，使馬朗戈尼流動占主導(dǎo)，所以無機鹽NaCl對成環(huán)有抑制作

3、用。當(dāng)納米SiO2顆粒與NaCl混合液滴蒸發(fā)后形成了一種新的沉積圖案，并非單一的環(huán)狀沉積。隨SiO2濃度增加，液滴內(nèi)部沉積顆粒逐漸增大，并且大顆粒越來越密集，同時，邊緣沉積越來越寬。這與溶質(zhì)所帶電荷以及蒸發(fā)動力學(xué)有關(guān)。
　　系統(tǒng)研究了SiO2液滴、PVA液滴、PVP液滴、PVA與SiO2混合液滴以及PVA與NaCl混合液滴的蒸發(fā)過程，主要分析了聚合物液滴蒸發(fā)過程的圖案形成及影響因素。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，SiO2蒸發(fā)過程中，接觸線固定，不產(chǎn)生

4、滑移。隨濃度升高，液滴邊緣沉積由無序變?yōu)橛行?，這些與布朗運動有關(guān)。另外，發(fā)現(xiàn)濃度和溫度對PVA液滴蒸發(fā)后的圖案形成有重要影響。濃度增加，溫度降低，釘扎效應(yīng)增強，邊緣沉積厚度和寬度增大。SiO2和PVA混合體系蒸發(fā)驅(qū)動的顆粒自組裝過程中，SiO2與PVA存在競爭作用。NaCl和PVA混合體系蒸發(fā)驅(qū)動的顆粒自組裝過程中，在液滴中心位置形成了向外輻射的樹枝狀沉積，樹枝狀沉積外緣形成碎片狀沉積圖案。這是由于加入NaCl后，溶液的離子強度增大，蒸

5、發(fā)系統(tǒng)的不穩(wěn)定性增大，影響到濃度梯度和尖端的增長情況。
　　進一步探索了聚合物溶液被限制于基底和圖釘之間以及基底與鋼珠之間的蒸發(fā)過程，主要分析了受限空間下聚合物液滴的蒸發(fā)圖案形成及影響因素。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，同種液滴在非受限條件下自然蒸發(fā)形成的圖案不會產(chǎn)生同心環(huán)結(jié)構(gòu)，而在受限條件下蒸發(fā)后形成的圖案則會產(chǎn)生同心環(huán)結(jié)構(gòu)。在受限條件下液滴的蒸發(fā)，限制空間的曲率半徑越大，基底與限制空間之間的蒸發(fā)液滴越薄，鋪展的更開，蒸發(fā)更快，因此形成的同心環(huán)結(jié)構(gòu)