面向仿生微通道的家蚕丝蛋白溶液剪切流变与滑移特性研究

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1、摘要摘要微通道作为微流体系统的重要组成部分，由于特征尺寸较小，流体在微通道内的流动表现出独特的现象，对微通道结构与微流体流动的研究成为了热点。家蚕吐丝时，丝蛋白溶液在前部丝腺内流动为一个独立的微流动过程，并且表现出良好的流动性能，为微流体系统的研究提供了新的思路。鉴于家蚕吐丝时丝蛋白溶液表现出良好的微流动性能，以研究丝蛋白溶液在前部丝腺内流动特性为目的，从丝蛋白溶液流变特性和滑移特性检测机理两方面，研究了丝蛋白溶液物理性质、高分子溶液流变行为表征和黏度模型；通过实验研究，分析了丝蛋白溶液剪切黏度在丝腺内流动时的变化规律；根据流变实验和

2、壁面形貌检测实验，分析了剪切速率和表面疏水性对溶液滑移特性的影响；最后运用仿真分析了丝蛋白溶液在家蚕前部丝腺内的流动。本文具体研究内容如下：（1）研究了高分子溶液流变性能的表征、黏度模型、影响因素以及家蚕丝腺体结构和丝蛋白溶液物理特性，根据丝蛋白溶液特点，提出了丝蛋白溶液剪切流变实验的测试方法和滑移特性的检测机理。（2）运用RS600旋转流变仪实验研究了丝蛋白溶液剪切黏度和剪切应力随剪切速率的变化关系，探讨分析了中部丝腺不同部位内丝蛋白溶液的剪切流变性能、丝蛋白溶液稳态剪切黏度随时间的变化关系和不同剪切间距下溶液的流变特性。（3）利用

3、扫描电镜和生物显微镜观测了家蚕丝腺内壁面形貌，分析了对溶液滑移的影响。根据变间距流变实验结果，利用Yoshimura滑移模型求解分析了剪切速率对滑移的影响，并且求出了滑移修正后丝蛋白溶液剪切黏度模型。（4）运用Fluent对丝蛋白溶液在家蚕前部丝腺内的流动进行了仿真分析，探讨了入口流速0.001m/s下，溶液的滑移现象和流型。研究了微肋高度对溶液滑移现象的影响。对滑移速度的仿真结果和实验结果进行了对比分析。关键字：微流体系统；仿生微通道；丝蛋白溶液；流变特性；壁面滑移I江苏科技大学工学硕士学位论文IIAbstractAbstractM

4、icrochannelisanimportantpartofmicrofluidicsystem.Asitssmallfeaturesizeandtheuniquephenomenonthefluidflowinginit,thestudyofmicropipestructureandmicrofluidflowhasbecomeahotspot.Whensilkwormisspinning,silksolutionflowinginthefrontofsilkglandisaseparatemicroflowprocessandit

5、showsgoodflowproperties.Thisdiscoveryprovidesanewtrainofthoughttotheresearchofmicrofluidicsystem.Inviewofsilksolutionshowingagoodflowpropertywhenflowinginsilkgland,thisarticleaimedtostudytheflowcharacteristicsofsilksolutionflowinginsilkgland.Fromthetextingmechanismofthe

6、rheologicalpropertiesandslipofsilksolution,thestructureofthesilkgland,physicalpropertiesofsilksolution,andrheologicalbehaviorofpolymersolutionandviscositymodelhavebeenstudied.Thechangingofsilksolution’sshearviscosityflowinginthesilkglandhasbeenstudiedthoughexperiments.A

7、ccordingtorheologicalexperimentsandsurfacemorphologytestingexperiments,theinfluenceofshearrateandsurfacehydrophobicityonslipofsilksolutionhavebeenstudied.Atlast,silksolutionflowinginthefrontofsilkglandhasbeenstudiedbyusinganalogsimulation.Inthisarticle,thefollowingaspec

8、tsofthestudyweremainlycompleted:（1）Rheologicalbehaviorofpolymersolution,viscositymodel,influencefactors,thestr