浸涂过程中的接触线和液膜动力学行为研究

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移动接触线问题广泛存在于自然界、日常生活以及工业应用当中,其中一个典型问题是平板提拉镀膜。在对平板拉涂问题的研究中,不但需要考虑移动接触线的多尺度性和应力奇异性,同时需要考虑实际物理表面的化学不均一性及三维效应等,这给此类问题的研究带来了一定的挑战性。本文采用数值模拟和实验的方法,对均匀表面及化学不均匀表面提拉镀膜问题进行了研究,主要的工作及研究成果如下:(1)通过数值模拟研究了竖条纹化学不均匀平板从液体中倾斜提拉出来时,在较亲水表面上发生润湿转换的现象。相比于均匀表面,在非均匀表面上移动接触线存在着更为复杂的行为。当提拉速度较低时,在较亲水表面上形成稳定的三维弯月面结构;当提拉速度超过润湿转换的临界速度时,在较亲水区域将会产生液膜和液滴。当较亲水条带宽度较大时,润湿转换的临界速度几乎不受两侧亲、疏水条带边缘的影响,与具有相同接触角的均匀表面结果一致。然而,由于两侧较疏水条带的存在,接触线会在两侧靠近条带边缘处弯曲形成凸起结构并失稳,其失稳位置不受条带宽度和亲、疏水表面浸润性差异影响,只与平板倾角有关。当较亲水条带宽度较小时,接触线始终在较亲水平板的中心失稳,并连续脱出液滴,同时发现两侧较疏水条带的存在甚至会促进液膜的产生。数值研究进一步定量地给出了前驱膜厚度的影响,且数值给出了实验中观察到的三维梯形液膜结构。(2)数值研究了横条纹化学不均匀平板从液体中倾斜提拉出来时,条带宽度对接触线动力学过程和液膜演化规律的影响。当亲、疏水条带的宽度较大时,随平板提拉速度的增大,接触线表现出四种不同的动力学行为。在平板提拉速度较小时,发现了明显的接触线钉扎(stick)和滑移(slip)现象。进一步,利用Voinov-Cox理论给出了接触线钉扎和滑移现象的机理分析,预测了接触线钉扎过程结束的位置,并理论给出了接触线滑移过程中的特征松弛时间,理论与数值结果符合较好。当亲、疏水条带宽度较小时,无论是接触线的动力学过程还是液膜的动态演化规律均与具有平衡接触角为Cassie理论预测值的均匀表面结果相同。(3)分别实验研究了均匀平板和两侧亲水中间疏水的化学不均匀平板竖直提拉问题,证实了有限宽度平板提拉实验中润湿转换提前发生,且发生润湿转换的临界速度与厚液膜充分演化后的接触线后退速度相等。通过将均匀表面提拉实验的结果与非均匀平板提拉实验的结果进行定量地对比,说明了有限宽度平板边缘会促进液膜的产生。实验发现了倒梯形的液膜结构,并发现随着提拉速度的增大,连接倒梯形液膜下端与水平液面相连的颈口结构失稳,形成类似于前进接触线问题中薄液膜在倾斜平板上滑落时产生的指进现象。(4)实验研究了倾斜放置的平板竖直提拉问题,给出了不同平板宽度及不同平板斜置角度对润湿转换的临界速度和接触线后退速度的影响。研究发现润湿转换发生后平板表面将沉积非对称结构的梯形液膜,并给出了倾斜接触线与水平面间夹角与平板斜置角度、接触线后退速度以及平板提拉速度之间的依赖关系。理论与实验结果符合较好。实验发现在非对称的梯形液膜结构中,平板两侧倾斜接触线与平板边缘的夹角相等,该结果得到了理论验证。进一步研究发现,水平接触线与倾斜接触线相交处的尾部结构与均匀平板竖直提拉实验中的三角形液膜的锥形尾部结构类似,且在提拉速度较大和平板边缘倾斜程度较大时锥型尾部容易失稳并脱出液滴。
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