微结构疏水表面振动液滴的动态浸润特性简析.doc

中国工程热物理学会 多相流 学术会议论文 编号： 微结构疏水表面振动液滴的动态浸润特性 雷威，贾志海*，王刚 （上海理工大学能源与动力学院，上海 200093） (Tel: Email:zhhjia@usst.edu.cn) 摘要：研究了在垂直振动作用下，液滴在微结构疏水表面的动态浸润特性。结果表明，液滴“压缩”过程“还原”过程“脱离”过程“压缩”过程液滴由Cassie状态向Wenzel状态转变且为一维转变模式“还原”过程, 液滴由Wenzel状态向Cassie状态转变。同时, 结合表面物理化学和液滴动力学，建立了振动液滴动态浸润模型对该现象进行了分析。 关键词：微结构 疏水表面 振动 液滴 0 前言 随着纳米技术的发展，功能材料制备的日臻成熟，将功能性疏水材料应用到冷凝器的研制中，实现空调蒸发器内部盘管表面由膜状凝结转变滴状凝结目前采用的重要方法[,2]。目前的滴状冷凝传热研究中，冷凝液滴需要生长到很大尺寸才能在重力作用下自然脱落，即使在超疏水表面，蒸汽冷凝形成的液滴并不能表面脱落，致使冷凝传热系数不能很大的提高超疏水特性失效。寻找当前滴状冷凝研究中最重要的问题[3-5]。研究认为，疏水表面液滴可以存在多种浸润状态[6]，其中两种典型的浸润状态分别为[7-8]：一种为Wenzel模型，如图1(a)，假设液滴始终能填满粗糙表面凹槽，因此“粘”性极强，不易从粗糙表面脱落，存在很大的接触角滞后，其表观接触角θw可由Wenzel方程[3]描述如下 (1) (a)Wenzel状态 (b)Cassie 状态 图1 粗糙表面水滴浸润状态 一种为Cassie模型，如图1(b)，其假设固体表面时由两种不同物质组成，这两种不同成分的表面是以极小块的形式均匀分布在表面上，粘性微弱，因此能够轻易滚落，其表观接触角θw可由Cassie方程描述如下： (2) 滴状冷凝过程中，为了促使液滴快速脱落即要求形成Cassie状态液滴。研究，在外界施加压力[9]，加热[10]，蒸发[11]或者电压[12]的作用下，表面上液滴可以实现Wenzel状态和Cassie状态之间的转变。近年来微振动方法也被用于浸润状态转变的研究中[13.14]，Chen等[15]对振动作用下荷叶表面冷凝液滴浸润状态转变进行了研究，认为微振动传导到液滴的动能超过粘附能的两倍时，冷凝液滴实现Wenzel-Cassie转变。Bormashenko等[16]认为在振动下，当单位三相接触线受到的力超过一定的阈值，液滴的浸润状态则会转变。而Bhushan等[17]认为，振动传导给液滴的惯性力FI大于液滴与表面之间的粘附力FA时，液滴垂直“脱离”，脱离表面，实现浸润状态转变。同时，振动液滴的动态形态特性也有一定的研究，Noblin等[18]人研究了液滴在振动时的形态变化，发现粗糙表面的液滴在振动作用下，存在2种形变类型，即三相接触线移动与三相接触线固定类型，而这两种形变类型下又各包含两种不同的模式。 分析可见，目前对于微结构疏水表面振动过程中液滴的动态浸润特性的研究很少，液滴振动特性与振动信号之间的关系也不明确。为此，本文通过对微结构疏水表面施加微振动，研究液滴瞬时动态浸润特性，分析微振动对液滴瞬时动态浸润特性的影响，探讨液滴动态特性与振动信号之间的关系，为更加有效的利用振动实现液滴浸润状态转变尊定基础。 1 实验部分 1.1 表面制备 加工材料选用聚二甲基硅氧烷(PDMS)，该材料的本征接触角为113.7°。采用微加工光刻的方法在其表面构筑微凸起柱状结构，首先，在硅片上旋涂厚度为30(m的SU8-25光刻胶；然后将掩膜板覆盖在US8-25上进行光刻，制作模子；最后将PDMS倒入模子中，在90℃的真空烘箱内放置约60分钟后取出，将PDMS聚合体从SU8膜上剥离，从而完成制作。图2为设计表面的方柱状微结构扫描电镜图，其中，r为柱体边长，a为柱间距，H为柱高，尺寸均为30(m。 利用Kino SL200B型接触角测量仪测量的粗糙表面平均接触角为148.5°(1.5°，滚动角为19.5°，液滴可以轻易滚落，接近超疏水表面[19]，如图3。所有测量在环境温度为25±1°C，相对湿度50±5％。根据该材料的本征接触角为113.7°及使用Wenzel状态方程(公式1)和Cassie状态方程(公式2)理论计算出来的值分别为：143.5°；148.3°，则液滴在微结构疏水表面初始状态为Cassie状态。