纳秒激光加工微孔阵列铝膜的润湿性的实验及模拟
发布时间：2022-01-07 01:35
润湿性与固体材料表面的微观几何结构和表面化学组成密切相关,是固体材料表面的一个重要特性体现。文章用实验和仿真的方式研究了双面超亲水和双面超疏水表面的润湿特性。首先采用纳秒激光钻孔技术在厚度为35μm的铝箔上加工微孔阵列,得到了双面超亲水铝膜表面;然后将铝膜在十七氟癸基三乙氧基硅烷（PFDTES）浸泡20h,铝膜从双面超亲水表面改性为双面超疏水表面;研究了改性前后铝膜的液滴渗透情况。用COMSOL Multiphysics中的两相流分析模块研究了基于双面超亲水和双面超疏水状态下的微孔通道内的水渗透过程,仿真结果和实验结果基本一致,对实验起指导作用。
【文章来源】：光学技术. 2020,46(04)北大核心CSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
纳秒激光加工系统模型图
实验中采用纳秒激光钻孔法制备了微孔阵列铝膜,将铝膜平铺固定在玻璃片上进行加工,为了更好的区分铝膜的两侧,将激光入射面称之为底部,将相反面称之为顶部。铝箔表面微孔形貌通过场发射扫描电子显微镜来表征。图2显示纳秒激光在加工功率为20mw,间距150μm,加工数目3次铝膜的底部的场发射扫描电子显微镜(JSM-6700F,JEOL,Tokyo,Japan;SEM)图像,底部孔径40.87μm,顶部孔径34.47μm,可以看出微孔阵列在底层上呈现出规则的微孔阵列。4μL水在未加工平滑铝箔表面的接触角约为75.9°,如图3(a)所示。用接触角系统并结合视频录制,借助ImageJ软件在加工后的铝膜表面滴加4μL水滴3次获得平均值,测得水的的接触角。实验结果表明激光加工后的铝箔底部与顶部表面均表现出超亲水性,顶部接触角为8°,如图3(b)所示。随后又用疏水性试剂配比为1.0%的十七氟癸基三乙氧基硅烷(PFDTES)[13]乙醇溶液中浸泡20h进行修饰,待其从溶液中取出晾干后得到双面超疏水铝膜,测得其顶部接触角约为153.6°,如图3(c)所示。由于纳秒激光钻孔烧蚀铝箔,表面会附着其溅射的粗糙结构颗粒,经过化学改性处理降低材料的表面能,从而具备超疏水的特性。
4μL水在未加工平滑铝箔表面的接触角约为75.9°,如图3(a)所示。用接触角系统并结合视频录制,借助ImageJ软件在加工后的铝膜表面滴加4μL水滴3次获得平均值,测得水的的接触角。实验结果表明激光加工后的铝箔底部与顶部表面均表现出超亲水性,顶部接触角为8°,如图3(b)所示。随后又用疏水性试剂配比为1.0%的十七氟癸基三乙氧基硅烷(PFDTES)[13]乙醇溶液中浸泡20h进行修饰,待其从溶液中取出晾干后得到双面超疏水铝膜,测得其顶部接触角约为153.6°,如图3(c)所示。由于纳秒激光钻孔烧蚀铝箔,表面会附着其溅射的粗糙结构颗粒,经过化学改性处理降低材料的表面能,从而具备超疏水的特性。实验中对两种不同润湿性的铝膜在测其接触角后进行了液滴渗透实验,将铝膜顶部置于上层。从侧面角度分析双面超亲水铝膜的液滴渗透动态过程。首先将双面超亲水的铝膜平整固定,在其上方挤压注射器中的水。刚开始液滴滴在铝膜上,由于膜表面的超亲水性,液滴呈铺展状态,被表面微结构和微孔阵列所捕获,铝膜上表面将形成一层水膜,与铝膜下表面相通,液滴迅速被膜完全吸收。随着液滴的持续注入,铝膜吸收的液滴由于受到重力的影响,逐渐向下表面渗透,图4(b)～(h)状态液滴呈向下的凸面球冠状。当越来越多的液滴注入铝膜的上表面,液滴向下凸起越明显。最终当液滴重力大于液滴与铝膜下表面间的粘附力(表面能和表面张力)时, 液滴以一个大的凸面球冠状脱离铝膜下表面。实验结果表明双面超亲水的铝膜液滴可以从顶部渗透到底部,实现了双面超亲水铝膜的液滴渗透过程,如图4所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]激光制备超疏水表面研究进展[J]. 杨焕,曹宇,李峰平,薛伟. 光电工程. 2017(12)
[2]纳秒激光诱导铝板表面超疏水微纳结构[J]. 杨奇彪,刘少军,汪于涛,汪幸,陈列,郑重,娄德元,陶青,翟中生,Peter Bennett,刘顿. 激光与光电子学进展. 2017(09)
[3]基于流动聚焦结构的微液滴形成机理[J]. 杨丽,周围,王学浩,程景萌,王媛媛,张思祥. 微纳电子技术. 2015(09)
[4]W/O液滴绕流微柱阵列的数值模拟研究[J]. 崔海航,冯换春,许琳,张鸿雁. 应用力学学报. 2015(01)
[5]仿生智能浸润性表面研究的新进展[J]. 杜晨光,夏帆,王树涛,王京霞,宋延林,江雷. 高等学校化学学报. 2010(03)
本文编号：3573547
【文章来源】：光学技术. 2020,46(04)北大核心CSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
纳秒激光加工系统模型图
实验中采用纳秒激光钻孔法制备了微孔阵列铝膜,将铝膜平铺固定在玻璃片上进行加工,为了更好的区分铝膜的两侧,将激光入射面称之为底部,将相反面称之为顶部。铝箔表面微孔形貌通过场发射扫描电子显微镜来表征。图2显示纳秒激光在加工功率为20mw,间距150μm,加工数目3次铝膜的底部的场发射扫描电子显微镜(JSM-6700F,JEOL,Tokyo,Japan;SEM)图像,底部孔径40.87μm,顶部孔径34.47μm,可以看出微孔阵列在底层上呈现出规则的微孔阵列。4μL水在未加工平滑铝箔表面的接触角约为75.9°,如图3(a)所示。用接触角系统并结合视频录制,借助ImageJ软件在加工后的铝膜表面滴加4μL水滴3次获得平均值,测得水的的接触角。实验结果表明激光加工后的铝箔底部与顶部表面均表现出超亲水性,顶部接触角为8°,如图3(b)所示。随后又用疏水性试剂配比为1.0%的十七氟癸基三乙氧基硅烷(PFDTES)[13]乙醇溶液中浸泡20h进行修饰,待其从溶液中取出晾干后得到双面超疏水铝膜,测得其顶部接触角约为153.6°,如图3(c)所示。由于纳秒激光钻孔烧蚀铝箔,表面会附着其溅射的粗糙结构颗粒,经过化学改性处理降低材料的表面能,从而具备超疏水的特性。
4μL水在未加工平滑铝箔表面的接触角约为75.9°,如图3(a)所示。用接触角系统并结合视频录制,借助ImageJ软件在加工后的铝膜表面滴加4μL水滴3次获得平均值,测得水的的接触角。实验结果表明激光加工后的铝箔底部与顶部表面均表现出超亲水性,顶部接触角为8°,如图3(b)所示。随后又用疏水性试剂配比为1.0%的十七氟癸基三乙氧基硅烷(PFDTES)[13]乙醇溶液中浸泡20h进行修饰,待其从溶液中取出晾干后得到双面超疏水铝膜,测得其顶部接触角约为153.6°,如图3(c)所示。由于纳秒激光钻孔烧蚀铝箔,表面会附着其溅射的粗糙结构颗粒,经过化学改性处理降低材料的表面能,从而具备超疏水的特性。实验中对两种不同润湿性的铝膜在测其接触角后进行了液滴渗透实验,将铝膜顶部置于上层。从侧面角度分析双面超亲水铝膜的液滴渗透动态过程。首先将双面超亲水的铝膜平整固定,在其上方挤压注射器中的水。刚开始液滴滴在铝膜上,由于膜表面的超亲水性,液滴呈铺展状态,被表面微结构和微孔阵列所捕获,铝膜上表面将形成一层水膜,与铝膜下表面相通,液滴迅速被膜完全吸收。随着液滴的持续注入,铝膜吸收的液滴由于受到重力的影响,逐渐向下表面渗透,图4(b)～(h)状态液滴呈向下的凸面球冠状。当越来越多的液滴注入铝膜的上表面,液滴向下凸起越明显。最终当液滴重力大于液滴与铝膜下表面间的粘附力(表面能和表面张力)时, 液滴以一个大的凸面球冠状脱离铝膜下表面。实验结果表明双面超亲水的铝膜液滴可以从顶部渗透到底部,实现了双面超亲水铝膜的液滴渗透过程,如图4所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]激光制备超疏水表面研究进展[J]. 杨焕,曹宇,李峰平,薛伟. 光电工程. 2017(12)
[2]纳秒激光诱导铝板表面超疏水微纳结构[J]. 杨奇彪,刘少军,汪于涛,汪幸,陈列,郑重,娄德元,陶青,翟中生,Peter Bennett,刘顿. 激光与光电子学进展. 2017(09)
[3]基于流动聚焦结构的微液滴形成机理[J]. 杨丽,周围,王学浩,程景萌,王媛媛,张思祥. 微纳电子技术. 2015(09)
[4]W/O液滴绕流微柱阵列的数值模拟研究[J]. 崔海航,冯换春,许琳,张鸿雁. 应用力学学报. 2015(01)
[5]仿生智能浸润性表面研究的新进展[J]. 杜晨光,夏帆,王树涛,王京霞,宋延林,江雷. 高等学校化学学报. 2010(03)
本文编号：3573547
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