双面神亲/疏水锌箔制备及其气泡运输特性

发布时间：2021-06-11 10:52

　　双面神亲/疏膜可用于实现水下气泡的单向运输,在学术研究和工业应用中具有重要的意义。利用纳秒脉冲激光打孔,并结合加热改性工艺,在锌箔上下表面制备出锥形微孔阵列。通过控制激光加工参数,研制出双面神锌箔,其上下表面具有不同的粗糙度和微观结构,并开展了水下气泡单向运动特性研究。通过能谱仪（EDS）对双面神锌箔表面的化学成分进行了分析,结果表明,锌箔上表面的润湿性变化主要归因于激光打孔和加热处理中亲水性羟基的吸附和解吸作用。利用高清工业相机观测水下气泡的动态行为,发现气泡可以在0.6 s内从疏气面渗透到亲气面,但在相反方向则会被堵塞。研究结果显示,在一定范围内,脉冲激光能量的增加不仅可以增大锌箔表面的微孔尺寸并改善锌箔表面疏水性,还可以显著提高气泡的运输速率,气泡在双面神锌箔中的运输特性主要归因于表面微纳结构和化学成分的共同作用。研究结论可为超高速气泡捕捉、输送、收集和气液分离等领域的先进材料设计提供参考。 

【文章来源】：中国激光. 2020,47(10)北大核心EICSCD

【文章页数】：9 页

【部分图文】：

经过纳秒激光钻孔后锌箔表面上形成的多级微纳结构。

脉冲能量对锌箔表面形貌和表面润湿性的影响。

除了表面形貌,表面化学成分也是影响润湿性的一个重要因素,图3(a)～(c)分别为原始、激光打孔后和加热后的锌箔上表面的水接触角,分别为30°,0°和155°。根据研究推断,这种润湿性的差异主要归因于表面氧元素的变化。为了研究锌箔表面氧元素的含量变化,采用能谱分析(EDS)来检测三种状态锌箔表面氧元素的含量变化。当脉冲能量为4 mJ时,原始、激光打孔后和加热改性后的锌箔上表面的氧元素含量分别如图3(d)～(f)所示。在激光打孔前,锌箔为本征亲水,表面主要由锌元素和少量的氧元素、碳元素组成,其中氧原子的占比(原子数分数)为6.64%。在激光打孔后,锌箔的上表面由亲水转变为超亲水,氧元素含量(原子数分数)升至32.66%。这是由于样品表面在激光打孔过程中吸附了周围环境的亲水性羟基(—OH),这类官能团的形成与金属表面的有机吸附有关[25]。经激光打孔和加热处理后,锌箔表面的氧元素含量(原子数分数)升至50.34%,锌箔上表面由超亲水改性为超疏水。分析认为,经加热处理后,锌箔表面的亲水性羟基发生了解吸,空气中的氧原子代替解吸的羟基,形成氧化锌(ZnO)[26]。因此,材料表面羟基的吸附和解吸是润湿性变化的主要原因。

【参考文献】：
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本文编号：3224396