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亲水性树脂基复合模型沙性能研究与优化

作　者: 芦露华
导　师: 叶菁
学　校: 武汉理工大学
专　业: 材料学
关键词: 模型沙凝聚分散休止角
分类号: TG221
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

模型沙的选择是泥沙实体模型设计中的一项关键技术，直接关系到模型的泥沙运动和河床变形相似性及模型试验成果的可靠性。目前，常用的模型沙容重固定，不能人为调整，模型设计时往往为了满足模型某一特性需要而使部分相似条件偏离。亲水性树脂基复合模型沙的设计和初步研制，突破了过去模型沙密度固定的限制，通过改变有机和无机复合材料的质量比率，使颗粒的密度在一个范围内可以任意连续调整，并通过着色和多项工艺处理，使得亲水性树脂基复合模型沙在各项性能指标上明显优于各种传统的模型沙，并且在“长江防洪实体模型”项目的首次应用中取得成功。但是，亲水性树脂基复合模型沙仍存在着一些问题有待进一步的研究，解决，其中，最主要是模型沙细颗粒的凝聚，以及由此导致的床层的板结问题。因此，了解床层的板结机理，减小颗粒间的凝聚力，改善床层的板结是亲水性树脂基复合模型沙性能优化的主要任务。本文从分析颗粒表面的基本物理化学性状入手，通过吸附改性等手段比较不同条件下颗粒悬浊体的凝聚和沉降堆积体的板结，研究颗粒凝聚的主要影响因素，寻找降低颗粒间凝聚力和床层板结的方法。研究发现，模型沙颗粒床层的板结实际受多个因素的控制，其中主要因素为：其一，模型沙颗粒的亲水性，颗粒虽然经过亲水改性，但是与常用无机质模型沙相比，其亲水程度并不高，在大量试验中观察到，疏水作用力还继续影响着悬浮颗粒的凝聚和床层的板结。其二，模型沙堆积体表层颗粒堆积的致密化，模型沙颗粒由于疏水力，范德华力，双电层力的联合作用所表现出的凝聚力较强，细颗粒在空隙中的迁移导致颗粒床层的密实过程中表面层孔隙率下降明显，颗粒之间的距离变小，板结加重，造成起动流速增幅过大。研究表明，通过改善模型沙颗粒表面的润湿性，使用针对疏水颗粒的润湿分散剂使颗粒表面吸附高分子活性剂，依靠活性剂分子长碳链的空间位阻作用及其极性基团的亲水性，可以有效地减缓床层的板结速度。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第一章绪论  10-24
  1.1 泥沙动力学模型试验用沙研究概述  10-14
    1.1.1 模型沙研究现状  10
    1.1.2 常用模型沙及性能  10-12
    1.1.3 模型沙主要存在的若干问题  12-14
      1、容重固定  13
      2、形状差异  13-14
      3、颗粒凝聚  14
  1.2 亲水性树脂基复合模型沙的研制开发  14
  1.3 亲水性树脂基复合模型沙的一般物理性质  14-19
    1.3.1 颗粒形状  15
    1.3.2 颗粒的密度  15-16
    1.3.3 颗粒的容积密度  16-17
    1.3.4 体止角  17-18
    1.3.5 床层的起动流速  18-19
  1.4 HRCS模型沙存在的主要问题  19-21
  1.5 研究内容及课题意义  21-22
    1.5.1 研究内容  21-22
    1.5.2 课题意义  22
  1.6 本章小结  22-24
第二章水中HRCS模型沙颗粒的相互作用  24-43
  2.1 水中颗粒主要作用力  24-33
    2.1.1 颗粒间的范德华作用力  24-25
    2.1.2 双电层静电作用力  25-29
    2.1.4 颗粒表面不饱和成键力  29
    2.1.5 溶剂化膜作用力  29-30
    2.1.6 疏水作用  30-33
  2.2 颗粒分散性的表征方法及仪器  33-36
  2.3 模型沙颗粒的凝聚  36-42
    2.3.1 ζ电位的影响  38-40
    2.3.2 疏水性的影响  40-42
  2.4 本章小结  42-43
第三章 HRCS模型沙床层板结分析  43-58
  3.1 床层板结描述  43
  3.2 板结机理分析  43-45
  3.3 板结过程的模拟  45-47
  3.4 颗粒间凝聚力对板结的影响  47
  3.5 析出物分析  47-54
    3.5.1 析出物的一般描述  48
    3.5.2 析出物的分离  48-49
    3.5.3 析出物的密度测试  49
    3.5.4 析出物的粒度测试  49-50
    3.5.5 析出物的红外分析  50-51
    3.5.6 析出物的表面分析  51-52
    3.5.7 析出物的润湿性分析  52
    3.5.8 析出物选浊液分散性分析  52-53
    3.5.9 析出物的形成分析  53-54
    3.5.10 析出物对模型沙板结性能影响  54
  3.6 空隙率对板结的影响  54-56
  3.7 本章小结  56-58
第四章 HRC模型沙性能优化  58-83
  4.1 HRC颗粒润湿性能的改善  58-68
    4.1.1 润湿机理  58-60
    4.1.2 润湿剂的种类  60-61
    4.1.3 润湿剂的选择  61-62
    4.1.4 润湿改性的方案  62
    4.1.5 接触角的测定  62-64
    4.1.6 浸润度及其测定  64-66
    4.1.7 测试结果分析  66-68
  4.2 模型沙分散性的改善  68-75
    4.2.1 水相中分散剂的作用机理  68-69
    4.2.2 分散剂的性质与种类  69-71
    4.2.3 分散剂的选择  71-72
    4.2.4 透光度及其测试  72-73
    4.2.5 沉降体积及其测试  73-74
    4.2.6 测试结果分析  74-75
  4.3 模型沙板结性能的改善  75-77
    4.3.1 崩塌角测定  75-76
    4.3.2 测试结果分析  76-77
  4.4 颗粒形貌的改善  77-82
    4.4.1 热处理的原理  77-78
    4.4.2 实验装置  78
    4.4.3 待测试样的制备  78
    4.4.4 形貌的测试  78-79
    4.4.5 水下休止角测定  79
    4.4.6 测试结果  79-81
    4.4.7 颗粒轮廓分析  81
    4.4.8 微区形貌分析  81
    4.4.9 颗粒光散射性能分析  81-82
    4.4.10 水下休止角分析  82
  4.5 本章小结  82-83
第五章结论与展望  83-86
  5.1 结论  83-84
  5.2 展望  84-86
参考文献  86-88
致谢  88-89
附录硕士期间发表的论文  89

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