功能材料表面液滴蒸发动态过程粘滑现象研究

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液滴蒸发是由气-液界面浓度梯度差驱动的一种常见而复杂的扩散现象,不同功能材料表面上液体的湿润、铺展、蒸发过程在日常生活及工业生产中应用广泛,对于了解各种功能材料表面的性能及其应用具有指导作用。本文通过实验与理论相结合研究固着液滴在不同材料的亲/疏水表面上静动态特性,利用接触角测量仪对液滴轮廓进行可视化实验研究,并对蒸发模式中共有的的完全扎钉现象和特殊的粘滑现象进行理论分析。主要开展的工作及结论如下:(1)首先开展了固体亲/疏水性对液滴的静态实验研究,利用接触角测量仪测得液滴的静态接触角和前进、后退接触角,分析液滴对不同亲疏水表面的润湿性。结果发现:静态接触角越小,越易润湿固体表面。前进、后退接触角的差值越小,液滴的三相接触线越易移动,越易润湿固体表面。(2)初步了解不同材料的润湿性之后,接着开展了不同亲/疏水材料表面上液滴的动态实验研究,利用接触角测量仪得到动态接触角、接触半径随时间的变化曲线,总结固着液滴的蒸发模式,分析讨论亲/疏水性、导热率对完全扎钉过程的影响。结果发现:亲水表面上,固着液滴的蒸发模式是恒定底半径模式、恒定接触角模式和混合模式;疏水表面上,固着液滴的蒸发模式除了典型的三种模式外,疏水PTFE涂层表面和硅油涂层表面分别出现了3或4次周期性粘滑模式。疏水表面上液滴三相接触线较难移动,更有利于扎钉。在此基础上探究不同导热率固体表面上液滴的蒸发,发现蒸发模式相同,导热率较大的固体表面不利于扎钉,导热率小的固体表面有利于扎钉。(3)探究共有的完全扎钉模式后,进一步开展对特殊的疏水硅油表面周期性粘滑现象的分析,并解释了产生粘滑现象突变过程的原因,利用理论结果与实验结果进行对比验证。结果发现4次粘滑现象的每个周期内附加阻力增加,系统的表面自由能减小;当液滴三相接触线发生突变达到新的平衡后,三相接触线的附加阻力突减,液滴表面自由能突增。由于完全扎钉过程接触角的减小,当达到后退接触角时相应的附加阻力最大,接触角继续减小,三相接触线的力难以平衡,三相接触线收缩;并且理论得到的后退接触角、半径与实验结果基本一致。
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