微液滴撞击微结构疏水表面的实验研究

发布时间：2021-03-09 10:02

　　液滴撞击固体表面是自然界中最常见的物理现象之一,宏观液滴与微液滴的撞击过程因有较强的传热传质性能而被广泛地应用于工农业等领域。通过微液滴产生装置产生微液滴,利用高速数码摄像系统记录下液滴撞击表面的过程,最后通过程序处理液滴动态过程图,分析了表面微结构对液滴最大铺展系数以及振动过程的影响规律。实验结果表明:最大铺展系数随液滴撞击速度的增大而增大,受表面微结构的形貌特征影响较小;将液滴撞击表面后的振动过程等效为单自由度的阻尼弹簧系统,发现表面微结构对于液滴振动阻尼系数有影响,但是对于弹性常数的影响不大。 

【文章来源】：甘肃科学学报. 2019,31(03)

【文章页数】：7 页

【部分图文】：

图１实验装置示意图Ｆｉｇ．１Ｄｉａｇｒａｍｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｆａｃｉｌｉｔｙ

柱体阵列的硅片模板上。待混合液中的气泡完全消失后，再放入８０℃的烤箱中静置１０ｈ，最后揭开模板上凝固的ＰＤＭＳ表面，得到与模板结构相反的微结构表面。图２为结构表面的电镜扫描图，实验中所选用的微结构表面：边长（Ｗ／Ｌ）为４μｍ和８μｍ的正方形／三角形凹坑，或直径（Ｄ）为４μｍ和８μｍ的圆形凹坑，凹坑之间的间距（Ｓ）为２μｍ和１６μｍ，凹坑的深度（Ｈ）为２μｍ。图２ＰＤＭＳ微结构表面的ＳＥＭ图Ｆｉｇ．２ＳＥＭｄｉａｇｒａｍｏｆＰＤＭＳｍｉｃｒｏ－ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｕｒｆａｃｅ液滴在结构表面上一般存在２种状态：一种为液滴悬浮在结构表面上的Ｃａｓｓｉｅ模式；另一种为液滴完全润湿结构表面的Ｗｅｎｚｅｌ模式，２种状态的表观接触角θ＊分别满足ｃｏｓθ＊＝ｆ（１＋ｃｏｓθ）－１和ｃｏｓθ＊＝ｒｃｏｓθ，其中ｆ为结构表面的固体面积分数；ｒ为结构表面的粗糙度；θ为液滴在无结构表面上的平衡接触角［１７］。实验通过接触角测量仪（ＫｒüｓｓＤＳＡ３０）测得液滴在不同结构表面上的平衡接触角θｅ以及接触角滞后θｈ，它们分别反映了表面的疏水性能和表面粗糙度，液滴的稳态接触角随着结构表面的固体面积分数的增加而减少，与基于Ｃａｓｓｉｅ模型预测接触角吻合较好，如图３所示。说明液滴在静置的时候处于Ｃａｓｓｉｅ模式，表面固体面积分数的增加会减小表面的疏水性。而液滴的接触角滞后随着表面粗糙

ｓθ＊＝ｆ（１＋ｃｏｓθ）－１和ｃｏｓθ＊＝ｒｃｏｓθ，其中ｆ为结构表面的固体面积分数；ｒ为结构表面的粗糙度；θ为液滴在无结构表面上的平衡接触角［１７］。实验通过接触角测量仪（ＫｒüｓｓＤＳＡ３０）测得液滴在不同结构表面上的平衡接触角θｅ以及接触角滞后θｈ，它们分别反映了表面的疏水性能和表面粗糙度，液滴的稳态接触角随着结构表面的固体面积分数的增加而减少，与基于Ｃａｓｓｉｅ模型预测接触角吻合较好，如图３所示。说明液滴在静置的时候处于Ｃａｓｓｉｅ模式，表面固体面积分数的增加会减小表面的疏水性。而液滴的接触角滞后随着表面粗糙度的增大而增大，说明液滴处于动态的时候更倾向于Ｗｅｎｚｅｌ模式。因为实验中主要通过对静置的液滴增加或减少体积使其接触线移动，从而得到接触角滞后。当液滴体积增大或减小时，液滴内部的压强最终会增大，从而渗入表面结构中［１８］，导致液滴可能由Ｃａｓｓｉｅ模式转变为Ｗｅｎｚｅｌ模式。图３不同表面的平衡接触角θｅ以及接触角滞后θｈＦｉｇ．３Ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍｃｏｎｔａｃｔａｎｇｌｅθｅａｎｄｃｏｎｔａｃｔａｎｇｌｅｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓθｈｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｕｒｆａｃｅｓ２结果与讨论２．１铺展和回缩过程微液滴的撞击过程与毫米级别液滴的撞击过程类似，液滴先铺展达到最大值，随后开始回缩，如图４（ａ）～（ｃ）所示。当液滴以３．２ｍ／ｓ的速度（Ｗｅ＝３．６）分别撞击在固体面积分数为ｆ＝０．９

【参考文献】：
期刊论文
[1]超疏水表面上液滴撞击动力学的研究[J]. 李西营,高丽,刘勇,杨浩,毛立群.  广州化工. 2011(22)

硕士论文
[1]典型靶标作物叶表面对农药液滴吸附特性的研究[D]. 钟香梅.吉林大学 2015
[2]DOD压电式喷墨打印液滴形成和沉积过程的研究[D]. 蔡昊.华中科技大学 2015



本文编号：3072690