论文摘要
磁性粘滞流体是一种极具潜力的新型化工材料,在污水处理、化工设备磁密封、润滑、矿物分离、油水分离等领域都有非常重要的应用。深入地了解磁性粘滞流体的物理化学性质和流变性质能使这种材料更高效的服务于工业生产。基础研究中通常将磁性粘滞流体模型化为磁性胶体系统,通过研究磁性胶体系统来解释磁性粘滞流体实验中无法解释的现象,同时模型系统的研究也为磁性粘滞流体新功能的开发提供理论指导。本论文以超顺磁性胶体颗粒为主体,采用郎之万动力学模拟并结合模拟退火算法和并行回火算法,研究了界面上磁性粘滞流体的流变性质,模型化系统中重要的系统大小、相互作用长程校正的选取原则,并提出了一种新型的管道内粘附聚合物纤维的理论模型。具体研究内容主要包括:1、二维磁性网络结构的主动微流变性质。使用郎之万动力学模拟研究了非磁性示踪粒子和磁性示踪粒子在不同大小外力作用下示踪粒子本身在二维磁性网格结构中的运动和对网格结构的影响。研究结果表明随着外力的增大,非磁性示踪粒子会逐渐破坏网格结构以至于形成一种类通道结构,磁性示踪粒子也有同样的趋势但是所需要的外力要大很多。整个系统的粘度随着外力的增大分为三个区域:较小的外力下的稳定区（粘度是一个定值）;中等外力下的线性变化区（随着外力的增大,粘度逐渐减小）;较大外力下的稳定区（粘度不随外力的增大而变化）。在受力方向上示踪粒子的扩散行为随着外力的增大,逐渐由亚扩散变为线性扩散最终变成超扩散;而在垂直受力方向上的扩散行为在整个外力范围内都呈现亚扩散和线性扩散。该工作可以更好的了解界面上磁性粘滞流体的流变行为,为磁性粘滞流体新功能的开发提供参考。2、磁性胶体系统中的磁偶极-偶极相互作用。使用郎之万动力学模拟了由超顺磁性胶体颗粒组成的二维模型系统和三维模型系统。系统地对比了有限尺寸系统（无磁偶极-偶极相互作用长程校正）和体相系统（考虑磁偶极-偶极相互作用长程校正）在不同截断半径下的模拟结果。研究结果表明,对于这种超顺磁性胶体模型系统来说,磁偶极-偶极相互作用长程校正是非常有必要的。使用长程校正后,很小的模拟体系就可以模拟体相系统的行为。如果不考虑长程校正,仅仅使用有限尺寸系统来模拟体相系统,那么磁偶极-偶极相互作用的截断半径必须大于某一个阈值,但是这种方法并不适合研究体相系统的热力学性质。该工作为更高效地使用这种模型化磁性胶体系统从理论层面上解释磁性粘滞流体实验中无法解释的现象给予一定的理论支持。3、磁性聚合物刷——管道内粘附聚合物的新模型。运用粗粒化的研究方法使用超顺磁性胶体颗粒和弹簧构建了磁性聚合物纤维。通过在基板上有序地排列磁性聚合物纤维构建了磁性聚合物刷模型。非磁性胶体颗粒分散在磁性聚合物刷模型中描述聚合物溶液中的杂质。研究结果表明在不同的外磁场强度和磁性聚合物纤维刚度系数下,磁性聚合物刷模型可以自组装形成多层墙状结构、茅草屋状结构、房子状结构、板状结构等。对模型自组装结构的总能量来说,通常是磁能贡献最大,其次是聚合物纤维键角能,最后是聚合物纤维键能。对该模型的自组装结构来说,外磁场强度越大,系统越容易形成板状结构;聚合物纤维刚度系数越大,系统越容易形成茅草屋状结构和房子状结构。这时模型系统中的非磁性胶体颗粒聚集在基板的空隙处和自组装结构的内部并发挥着稳定模型系统自组装结构的作用。这些结论表明聚合物纤维本身的性质和聚合物溶液中的杂质都影响管道内壁粘附聚合物的聚集行为,为更好的了解聚合物在管道内的沉积结垢现象提供理论依据。
论文目录
文章来源
类型: 博士论文
作者: 王翰青
导师: 张现仁
关键词: 磁性胶体颗粒,自组装,郎之万动力学模拟,微流变,磁性聚合物刷
来源: 北京化工大学
年度: 2019
分类: 工程科技Ⅰ辑,工程科技Ⅱ辑
专业: 化学,有机化工,工业通用技术及设备
单位: 北京化工大学
基金: 国家自然科学基金
分类号: O648.1;TQ021.1
DOI: 10.26939/d.cnki.gbhgu.2019.001784
总页数: 157
文件大小: 13362k
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标签：磁性胶体颗粒论文; 自组装论文; 郎之万动力学模拟论文; 微流变论文; 磁性聚合物刷论文;