凸起微结构对超疏水表面液滴弹跳强化机理的研究

发布时间：2019-08-17 15:53

【摘要】：研究表明冷凝液滴在超疏水表面上合并时可以诱发弹跳,而调控液桥撞击壁面的位置能够强化这一过程。今制备了两种构型的超疏水表面(只包涵纳米结构的平壁超疏水表面以及带有三棱柱凸起结构的超疏水表面),从液滴侧部和底部两个方向协同拍摄了液滴在平壁超疏水表面上合并弹跳动态过程;实验测量了液滴弹离壁面的速度并计算了相应的能量转化率,研究了三棱柱的结构参数对液滴弹跳速度的影响。结果表明,超疏水表面上液滴合并诱导弹跳过程可以分为四个阶段:液桥生长、液桥撞击壁面、液滴底面积收缩及液滴弹离壁面;当液滴在三棱柱凸起结构上方合并时,液滴弹离壁面的速度随着三棱柱长度增加而增大(三棱柱高度不变),且存在一个最大值;当三棱柱长度一定时,液滴弹离壁面的速度亦随着三棱柱的高度增加而增大。
【图文】：

导弹跳这一动态过程。液滴合并诱导弹跳过程可以分为四个阶段：液桥生长、液桥撞击壁面、液滴底面积收缩以及液滴弹离壁面。为了改变液滴收缩过程中的水力学分布，设计了带有三棱柱凸起结构的超疏水表面。液滴弹离壁面的速度最高可达0.176ms1(0.53U)，相应的能量转化率从平壁的3.9%提高到22.4%。研究表明，通过设计合理的表面结构，可以调控液桥撞击壁面的位置，进而实现液滴弹跳过程的无源强化。2实验部分2.1超疏水表面的制备本文设计并制备了平壁超疏水表面(只含有纳米结构)以及带有三棱柱凸起结构的超疏水表面，如图1(c)、(d)所示。制备过程简述如下：平壁超疏水表面：在紫铜表面上采用氧化刻蚀和化学气相沉积二步法制备出具有纳米结构的超疏水表面[6]。接触角测试(OCAH200，Dataphysics)表明，水滴在超疏水表面的静态接触角为(162.4±2.2)°，，滞后角为(4.5±0.9)°。超疏水表面的结构形貌扫描电镜图如图1(a)、(b)所示，表面由刀片状纳米簇组成了紧密的阵列结构。此外，为拍摄液滴底部收缩图片，还制备了透明超疏水表面[20]，液滴在透明超疏水表面的静态接触角为(165.2±2.6)°，滞后角为(3.2±0.8)°。带有三棱柱凸起结构的超疏水表面：首先利用高精度数控雕刻机(MEII-4242，Woodpecker)在铜片表面加工出三棱柱凸起结构(横截面为等腰直角三角形)，然后按照前述的氧化刻蚀和化学气相沉积二步法对表面进行超疏水处理。带有三棱柱凸起结构的超疏水表面相关结构参数如表1所示。2.2实验装置采用低速推动液滴的方法使两个大小相同的液滴相互靠近，继而发生液滴合并、弹跳现象。实验装图1不同结构超疏水表面示意图Fig.1Configurationofsuperhydrophobicsurfaceswithdesignedmacrostructures1mHDW(d)(c)(

疏水铜丝拨动液滴，使得两液滴中心连线在液滴推动器的超疏水铜丝的延长线上。旋转液滴推动器的测微头，推动液滴使其尽可能地相互靠近。然后，开启高速摄像系统，缓慢地旋转测微头，此时两个液滴相互接触而发生合并，继而弹离超疏水表面。高速摄像的拍摄频率为15000fps，采用背打光方式。实验环境条件：室温20℃，相对湿度50%。利用Image-ProPlus软件对液滴形态进行分析。3实验结果与讨论3.1平壁超疏水表面上的液滴合并行为为了能够更直观地展现液滴合并诱导弹跳过程，从侧面和底部两个方向同时进行拍摄，所得序列图如图3所示(液滴半径R=650m)。根据序列图，可以把液滴合并诱导弹跳过程大致分为四个阶段：(I)两个液滴之间形成液桥并迅速长大；(II)液桥生长的后期由于壁面的阻碍，液桥撞击壁面；(III)液滴合并为一个大的液滴，液滴收缩其底部固液接触面积；(IV)液滴弹离超疏水表面，在空中伸缩振荡。在阶段I中，当两个液滴相互靠近时，两液滴中间部位会形成液桥(0.20ms)，由于液桥部位弯液面呈负曲率，在表面张力作用下液桥迅速生长；随后液桥弯液面转为正曲率，但由于此时液桥区域的曲率半径仍大于主体区域，也就是说此时主体区域的拉普拉斯压力要大于液桥区域，因而主体区域液体仍流ideSview图3透明超疏水表面液滴合并诱导弹跳过程序列图Fig.3Thecoalescence-induceddropletjumpingontransparentSHSsideSviewBototmievwBototmievw2.93ms3.53ms4.20ms4.73ms8.20ms17.87ms0ms0.20ms1.13ms1.40ms2.13msStageIStageIIStageIIIStageIV1mm1mm图2实验装置示意图Fig.2Schematicdiagramoftheexperimentalsetup1.precisionmicrometerhead2.superhydrophobicwire3.
【作者单位】： 辽宁省化工资源清洁利用重点实验室大连理工大学化学工程研究所;
【基金】：国家自然科学基金(21476037)
【分类号】：O647.1

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本文编号：2527888