光滑注液多孔表面极性低压电润湿行为研究

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随着微流控技术的迅速发展,多功能、便携化器件与系统成为其发展的必然趋势,微尺度流体的精确操控是其前提与基础。基于介质层的电润湿效应作为一种微流体现象可通过电压精确控制液滴形变与位移,已在柔性电子纸、变焦液体透镜、微流控分析、能量收集、微移动平台器等领域中表现出诱人的发展前景。但目前传统固体介质上的电润湿存在可逆性较差、驱动电压较高(50-200V左右)、液滴震荡及高压易击穿等问题,已成为制约电润湿器件与系统便携化及应用的重要因素。部分工作虽在空气环境中实现了低电压电润湿,但仍然存在可逆性极差与介质层太薄极易被击穿等诸多问题,而利用交流电驱动液滴提升电润湿可逆性的方法又很大程度上限制了电润湿的应用范围。研究发现液滴与介质层三相接触线的钉扎作用是导致驱动电压高及可逆性差的一个重要因素,而液体介质层的出现可有望减小来自基底的钉扎作用力,受到这一思路的启发,研究者们提出了一种新型的基于光滑注液多孔表面的电润湿模型,可有效改善电润湿的可逆性、减弱液滴震荡,然而该模型仍存在驱动电压过高的问题。针对目前基于光滑注液多孔表面的电润湿驱动电压过高的问题,为了降低电润湿现象的驱动电压,本文开展了经氟硅烷修饰的注液多孔聚四氟乙烯(Poly tetra fluoroethylene,PTFE)薄膜上水滴的电润湿效应研究。研究发现,在28μm厚的PTFE多孔薄膜上先经全氟辛基三氯硅烷水解/接枝修饰,并灌注硅油后表现出良好的疏水性,该薄膜可实现在正0-60V电压作用下水滴在空气环境中接触角从112°到58°之间的连续可逆调制,大幅度降低了正向驱动电压。同时通过调节氟硅烷溶液的浓度,这种低压电润湿可以实现完全的可逆性。此外实验发现这种基于氟硅烷修饰的光滑注液薄膜电润湿在正负电压调制时表现出与传统介质层电润湿完全不一样的非对称性,在施加正向直流电压时可以观察到低电压电润湿现象,然而在施加负向直流电压时观察不到低电压电润湿现象。我们的研究提供了一种新的途径来实现低压可逆电润湿,对丰富介电润湿相关理论不仅有非常重要的科学意义,而且在微流控器件设计与应用等领域具有巨大的实际应用价值。
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