微米級別因素對動態(tài)接觸角影響的實驗研究.pdf

1、隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展、科學(xué)技術(shù)的進步，人類對材料性能的要求越來越高，其中材料的表面潤濕性質(zhì)尤為突出。受自然界中動植物表面自清潔功能的啟發(fā)，人們正在努力研究、發(fā)明和制造自清潔表面。具有自清潔功能的表面，本質(zhì)上是固液界面的摩擦力非常小，液體很容易在表面移動，從而將污染物帶走。表面自清潔存在兩種方式：一種是在親水表面，液滴（甚至水膜）直接將污染物沖走；另一種是在超疏水表面，液滴帶著污染物直接滾走。豬籠草捕捉昆蟲屬于前者，荷葉效應(yīng)屬于后者。前進接

2、觸角和后退接觸角（兩者統(tǒng)稱動態(tài)接觸角）之間的差值是衡量表面自清潔功能的重要參數(shù)，而影響表面動態(tài)接觸角的因素有很多，如固體表面粗糙度、表面化學(xué)異質(zhì)性、表面分子量和鏈長，液體分子的極性、液滴運動的速度，溫度和濕度等，但是對于動態(tài)接觸角變化的雜質(zhì)和尺度的影響，目前研究的比較少。
　　對于這種動態(tài)接觸角的變化，接觸角偏離平衡態(tài)的問題，本質(zhì)上是由缺陷造成的。接觸角的變化反應(yīng)的是固液氣三相接觸線的性質(zhì)，而實際上，無論是固體、液體還是氣體都不能

3、達(dá)到理想的狀態(tài)。其中，液體和固體的性質(zhì)又對接觸角的影響尤為重要。液體的缺陷反映的是液體中的雜質(zhì)，為了研究雜質(zhì)的影響，本文在液體中摻雜了微米顆粒。此外，對于固體來說，主要的缺陷在于固體表面的起伏，為了研究表面的拓?fù)渥兓挠绊?，本文研究了具有?guī)則形狀的微米結(jié)構(gòu)表面的影響?？傊?，本文重點關(guān)注液滴雜質(zhì)濃度和表面微結(jié)構(gòu)尺度對動態(tài)接觸角變化的影響。
　　液滴蒸發(fā)過程，接觸角會隨著體積的減小而減小，但是至今為止，其機理仍然不是很清楚。我們實驗上

4、觀察到，液滴三相接觸線向內(nèi)收縮，接觸線長度減小，接觸線上的雜質(zhì)密度增加，從而摩擦阻力也增加，所以導(dǎo)致液滴的接觸角也隨之減小。基于雜質(zhì)被接觸線掃移這一機制，本文進而提出了雜質(zhì)掃移的模型。模型中考慮到雜質(zhì)濃度、摩擦力和液滴初始體積的影響。解釋了雜質(zhì)濃度越高，雜質(zhì)摩擦力越大；初始體積越大，接觸角下降得越快并且最終沉積環(huán)越大?；谶@三個因素本模型定量地描述了液滴基底接觸直徑與接觸角之間的關(guān)系，并且可以對蒸發(fā)結(jié)束后沉積圖案的大小進行預(yù)測，理論模型

5、與實驗結(jié)果吻合。
　　最后，我們研究了表面微結(jié)構(gòu)尺度對液滴動態(tài)潤濕性的影響。實驗表明，在光滑的疏水硅片表面，往液滴里面注水，前進角隨著液滴體積的增大而減??；往液滴外面抽水，后退角隨著液滴體積的減小而減小，這導(dǎo)致遲滯角有5°的變化，即隨著體積的增加，液滴遲滯減小，運動阻力也就減小，從而有利于表面自清潔。在不同微結(jié)構(gòu)表面，遲滯角大于光滑表面的遲滯角（2-3倍），隨著液滴體積的增加，遲滯角有明顯的減小，最大達(dá)到26°；微結(jié)構(gòu)尺度越小，接