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、科學技術的進步，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，為了研究表面的拓撲變化的影響，本文研究了具有規(guī)則形狀的微米結構表面的影響。總之，本文重點關注液滴雜質(zhì)濃度和表面微結構尺度對動態(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。基于這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系，并且可以對蒸發(fā)結束后沉積圖案的大小進行預測，理論模型

5、與實驗結果吻合。
　　最后，我們研究了表面微結構尺度對液滴動態(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。在不同微結構表面，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，最大達到26°；微結構尺度越小，接