聶東強(qiáng)，黃學(xué)章，孫志強(qiáng)

（中南大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，長沙410083）

近年來，隨著制備技術(shù)和產(chǎn)品性能大幅度提升，塑料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸得到重視［1-2］，如聚丙烯（PP）、聚四氟乙烯（PTFE）、聚酰亞胺、環(huán)氧樹脂、聚碳酸酯等已用于航天器及其艙外活動單元中［3-5］。然而，塑料產(chǎn)品的廣泛使用必然產(chǎn)生大量的廢舊塑料，對廢舊塑料的清潔高效處理是社會高度關(guān)注的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題［6］。循環(huán)利用相比于傳統(tǒng)的填埋、焚燒等方式，具有低能耗、節(jié)約土地資源和降低大氣污染物排放等諸多優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是更為妥善的廢舊塑料處理方式［7］。在廢舊混合塑料的循環(huán)利用過程中，實(shí)現(xiàn)混合塑料的有效分離是必要前提，因此，塑料浮選技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并得到了長足發(fā)展［8］。

在塑料浮選中，通常將空氣以小氣泡形式引入到水性塑料顆粒懸浮液中，與塑料顆粒發(fā)生碰撞和選擇性黏附，形成穩(wěn)定的氣泡-顆粒聚合體并上升，從而達(dá)到預(yù)期的分離效果。氣（空氣）-液（水性介質(zhì)）-固（塑料顆粒）界面性能是決定能否附著及附著快慢的關(guān)鍵。Niecikowska［9］和Krasowska［10］等研究了PTFE等材料在表面改性后與氣泡的碰撞過程，發(fā)現(xiàn)氣泡與疏水性好的材料碰撞接觸后迅速黏附在其表面上，而與疏水性較差的材料表面碰撞接觸時(shí)，需經(jīng)過數(shù)次反彈碰撞后才能在材料表面形成三相接觸周邊。Krasowska和Malysa［11］研究了潤濕性對碰撞過程中三相接觸線形成的影響，發(fā)現(xiàn)親水性玻璃表面液膜較穩(wěn)定，難以形成三相接觸線，而疏水性特氟龍表面液膜不穩(wěn)定，易形成三相接觸線。然而，目前關(guān)于水介質(zhì)中氣泡與塑料碰撞黏附行為的細(xì)節(jié)過程及其影響因素研究較少，對碰撞黏附特性的量化表征較為缺乏。

本文采用高速攝影技術(shù)，在方形透明有機(jī)玻璃柱中對不同尺寸氣泡和不同疏水性塑料平板的碰撞黏附過程進(jìn)行觀測，記錄氣泡與塑料平板碰撞黏附的各個(gè)階段，定量分析氣泡的碰撞形變、黏附時(shí)間及三相接觸線擴(kuò)散等特性。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本文以PTFE、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和PP三種塑料平板為實(shí)驗(yàn)對象，以純水為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)，使用光學(xué)接觸角測量儀測得PTFE、PMMA、PP與純水的接觸角分別為94.99°、92.49°、84.49°，表明PTFE的疏水性最強(qiáng)，PMMA次之，PP最弱。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及過程

如圖1所示，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由方形透明有機(jī)玻璃柱（55mm×55 mm×550mm）、蠕動泵、微量進(jìn)樣器、高速攝影儀、光源和計(jì)算機(jī)組成。實(shí)驗(yàn)過程中，由微量進(jìn)樣器控制氣泡的生成，氣泡通過蠕動泵從底部噴管引入玻璃柱，與通過連桿固定的塑料平板（45mm×45mm）發(fā)生碰撞，利用VEO-410L高速攝影儀觀測碰撞黏附過程，采集的圖像被存儲至計(jì)算機(jī)，用于后續(xù)分析處理。高速攝影儀的拍攝速率為2000幀／s，分辨率為1280像素×800像素。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Experimental system

實(shí)驗(yàn)氣泡直徑dB為0.8～1.2 mm。為了減小氣泡不穩(wěn)定性的影響，將玻璃柱內(nèi)液面高度設(shè)置為400mm，塑料平板置于距噴管出口350 mm處，前期研究表明氣泡上升到此位置時(shí)已達(dá)到近似勻速狀態(tài)。每個(gè)條件下的實(shí)驗(yàn)均重復(fù)5次，取其平均值進(jìn)行計(jì)算和分析。

1.3 數(shù)據(jù)處理

圖2 上升氣泡與塑料平板碰撞黏附過程Fig.2 Collision and attachment process between rising bubble and plastic plate

圖2給出了氣泡由臨碰撞到形成穩(wěn)定三相接觸線的一組完整過程?？梢钥吹?，氣泡在臨碰撞前會有一定的形變，需要經(jīng)過數(shù)次“撞擊—反彈”才能與塑料平板完全黏附融合，形成三相接觸線。

對拍攝的圖像逐幀進(jìn)行分析處理，提取氣泡的局部速率和碰撞黏附的特征時(shí)間。氣泡局部速率的計(jì)算式為

式中：（xi，yi）和（xi＋1，yi＋1）為相鄰圖像上氣泡位置坐標(biāo)；Δt為圖像采樣時(shí)間間隔。

以dB＝1.0mm的氣泡為例，圖3給出了上升氣泡與PTFE平板碰撞黏附過程中速率的變化曲線。氣泡與塑料平板發(fā)生碰撞時(shí)，速率基本恒定，其值為0.093m／s。按照氣泡速率的變化，將碰撞黏附過程進(jìn)一步細(xì)分為碰撞、液膜排液、三相接觸線擴(kuò)散等3個(gè)階段。其他尺寸氣泡與塑料平板碰撞黏附的速率如圖4所示，其變化趨勢基本一致。

如圖3所示，碰撞階段是指氣泡與塑料平板發(fā)生碰撞到氣泡速率初降為0的階段。氣泡接觸塑料平板后，運(yùn)動并未立即停止，而是繼續(xù)向上擠壓造成氣泡形變，速率漸減。當(dāng)形變到達(dá)極限時(shí)，氣泡開始向下運(yùn)動遠(yuǎn)離塑料平板，出現(xiàn)反彈現(xiàn)象。氣泡的這種“撞擊—反彈”行為會往復(fù)進(jìn)行多次，直至能量耗盡最終停留在塑料平板表面。液膜排液階段是指從氣泡速率為0到液膜破裂，氣泡速率發(fā)生突變的階段。此時(shí)氣泡與塑料平板之間由于液膜的存在并未融合，隨著碰撞黏附行為的進(jìn)行，液膜緩慢排水并被擠壓變薄，直至到達(dá)液膜臨界破裂厚度。三相接觸線擴(kuò)散階段指從液膜排液結(jié)束到氣泡速率穩(wěn)定為0的階段。該階段氣泡與塑料平板之間的液膜破裂，形成三相接觸線并最終達(dá)到穩(wěn)定黏附。

圖3 d B ＝1.0mm時(shí)氣泡與PTFE平板碰撞速率變化Fig.3 Speed variation during collision between bubble and PTFE plate when d B ＝1.0mm

圖4 不同尺寸氣泡與PTFE平板碰撞速率變化Fig.4 Speed variation during collision between bubble with different sizes and PTFE plate

2 結(jié)果與討論

2.1 碰撞階段

實(shí)驗(yàn)過程中，觀測到氣泡在與塑料平板臨碰撞前形狀有一定變化，采用變形因子［12］進(jìn)行定量表征，其定義為

式中：dv和dh分別為氣泡的縱向和橫向長度。

圖5給出了氣泡的變形因子與其直徑、塑料平板材質(zhì)之間的關(guān)系。隨著氣泡直徑的增大，變形因子數(shù)值由略大于1.00逐漸演化為略小于1.00，反映出氣泡形狀逐漸由拉伸的墜滴狀轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s的橢圓狀。氣泡直徑越大，形成的液膜厚度越厚，穩(wěn)定性越好，與塑料平板碰撞時(shí)水化膜的擠壓力越大。加之氣泡表面積越大，荷電量相對更多，靜電斥力越大。因此，大尺寸氣泡的擠壓變形程度更大。同時(shí)還可以看到，疏水性強(qiáng)的塑料平板使得相同直徑氣泡的變形因子更大。

圖6給出了氣泡與塑料平板的碰撞時(shí)間隨氣泡直徑和塑料平板材質(zhì)的變化關(guān)系。可以看到，不同直徑氣泡與不同疏水性塑料平板的碰撞時(shí)間均較為穩(wěn)定，標(biāo)準(zhǔn)差較小。對于同一疏水性塑料平板，氣泡直徑越大碰撞時(shí)間越長；對于相同尺寸氣泡，材質(zhì)疏水性越強(qiáng)碰撞時(shí)間越短。當(dāng)dB＜0.9mm時(shí)，碰撞時(shí)間受材料疏水性影響較小，而dB＞0.9 mm 時(shí)，材料疏水性對碰撞時(shí)間的影響增大。

碰撞階段主要是氣泡動能耗散過程，通過反復(fù)的“撞擊—反彈”致使氣泡的形狀和速率不斷變化，直至動能耗盡，附著于塑料平板表面。當(dāng)氣泡第一次碰撞到塑料平板時(shí)速率達(dá)到最大，氣泡擠壓形變，氣泡速率迅速減小，該過程中，一部分能量因黏性耗散而消耗，一部分能量轉(zhuǎn)化成氣泡的表面能，導(dǎo)致系統(tǒng)表面能增加。由于氣泡擠壓表面水化層時(shí)間較短，尚未達(dá)到液膜臨界破裂厚度，因此氣泡反彈離開塑料平板表面，在反彈過程中，一部分氣泡表面能又轉(zhuǎn)化成動能，使氣泡離開塑料平板，反彈速率減小很多。同時(shí)在碰撞過程中，由于疏水性更好的材料與氣泡的黏附更牢固，反彈過程所需能量更多，單次碰撞能量消耗越大，因此，氣泡與PTFE平板在碰撞階段的速度衰減更快，碰撞時(shí)間最短。

圖5 臨碰撞前氣泡的變形因子Fig.5 Bubble deformation factor before collision

圖6 碰撞時(shí)間Fig.6 Collision time

2.2 液膜排液階段

圖7為液膜排液時(shí)間的變化情況。塑料平板疏水性不同，液膜排液時(shí)間相差較大，且標(biāo)準(zhǔn)差亦較大。塑料平板疏水性越強(qiáng)，液膜排液時(shí)間越短，形成三相接觸線所用時(shí)間也越短。當(dāng) dB＝1.0mm時(shí)，PTFE和PMMA平板的液膜排液時(shí)間均出現(xiàn)極小值，分別為4.8ms和56ms。對于相對親水的PP平板，液膜排液時(shí)間隨氣泡直徑的增大而增長。由擴(kuò)展DLVO理論［13］可知，氣泡在靠近疏水性較強(qiáng)的塑料平板時(shí)產(chǎn)生的疏水引力較大，屬于長程相互作用力，遠(yuǎn)大于起排斥作用的London-van der Waals力和靜電力等，因此液膜變薄并逐步達(dá)到臨界破裂值。同時(shí)由于材料疏水性越強(qiáng)，其塑料平板表面能越小，液膜穩(wěn)定性越差，導(dǎo)致不同疏水性材料液膜排液時(shí)間相差甚大［14］。

在粗糙塑料平板表面可能介入微氣泡，增加塑料平板與氣泡間的含氣率，改變流體動力學(xué)邊界條件，使得塑料平板局部摩擦阻力大幅減小，最大減阻幅度可達(dá)90%左右［15］。因此該過程更易發(fā)生氣泡滑移現(xiàn)象，導(dǎo)致即使在相同工況下液膜排液時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)差較大。

圖7 液膜排液時(shí)間Fig.7 Liquid film discharge time

2.3 三相接觸線擴(kuò)散階段

圖8為三相接觸線擴(kuò)散時(shí)間的變化情況。整體而言，氣泡越大，三相接觸線擴(kuò)散時(shí)間越長。對于相同尺寸氣泡，其三相接觸線擴(kuò)散時(shí)間隨塑料平板疏水性的增大而減小。對于疏水性較強(qiáng)的材質(zhì)，三相接觸線擴(kuò)散時(shí)間受氣泡尺寸的影響變化較??；而對于較為親水的材質(zhì)（如PP），氣泡直徑對三相接觸線擴(kuò)散時(shí)間有顯著的影響，特別是當(dāng)dB＞1.0mm后，三相接觸線擴(kuò)散時(shí)間急劇增加。

在三相接觸線擴(kuò)散過程中，三相接觸線直徑（即三相接觸形成擴(kuò)散圓形的直徑，以dTPC表示）逐漸變化，直至氣泡與塑料平板完全黏附融合。以dB＝1.0mm的氣泡為例，取三相接觸線開始形成的時(shí)刻t＝0，圖9給出了三相接觸線擴(kuò)散直徑在3種不同塑料平板表面的變化情況，其他尺寸氣泡的變化趨勢基本一致?？梢钥闯觯w上三相接觸線擴(kuò)散直徑隨塑料平板疏水性的減小而減小。PTFE和PMMA的三相接觸線擴(kuò)散特性較為相似，PTFE的dTPC＝0.69mm，略大于PMMA的0.63mm；其三相接觸線擴(kuò)散時(shí)間的差別則稍大，前者為17.5ms，后者為29.5ms。而對于較親水的PP平板而言，在大部分動能消散液膜破裂后三相接觸線方能形成，導(dǎo)致三相接觸線直徑較?。╠TPC＝0.42mm），且所需三相接觸線擴(kuò)散時(shí)間長達(dá)54ms。

圖8 三相接觸線擴(kuò)散時(shí)間Fig.8 Diffusion time of three-phase contact line

圖9 三相接觸線擴(kuò)散直徑Fig.9 Diffusion diameter of three-phase contact line

該階段是氣泡液膜破裂開始形成三相接觸線到形成穩(wěn)定的三相接觸線的過程。當(dāng)液膜破裂之后，毛細(xì)附著力增大，導(dǎo)致三相接觸線擴(kuò)散速度更快，擴(kuò)散時(shí)間更短［16］。同時(shí)由于疏水性表面形成的水化膜不穩(wěn)定，而親水性表面形成的水化膜較穩(wěn)定，因此當(dāng)氣泡黏附在塑料平板表面后由于其周邊的水化膜穩(wěn)定性不同，水化膜擴(kuò)展能力也不同，故當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定接觸時(shí)，PTFE平板上三相接觸線擴(kuò)散直徑最大，PMMA平板次之，PP平板最小。

3 結(jié) 論

本文采用高速攝影技術(shù)觀測上升氣泡與塑料平板在純水介質(zhì)中的碰撞黏附行為，根據(jù)氣泡速率的變化，將之細(xì)分為碰撞、液膜排液、三相接觸線擴(kuò)散等3個(gè)階段，探討了氣泡尺寸和塑料平板表面疏水性對氣泡碰撞形變、黏附時(shí)間及三相接觸線擴(kuò)散特性的影響。主要結(jié)論如下：

1）在碰撞階段，變形因子隨氣泡直徑的增大由略大于1.00演化為略小于1.00，疏水性強(qiáng)的塑料平板使相同直徑氣泡的變形因子更大。對于同一疏水性塑料平板，氣泡直徑越大碰撞時(shí)間越長；對于相同尺寸氣泡，材質(zhì)疏水性越強(qiáng)碰撞時(shí)間越短。

2）在液膜排液階段，塑料平板疏水性越強(qiáng)，形成三相接觸所用時(shí)間越短。當(dāng)dB＝1.0mm時(shí)，PTFE和PMMA平板的液膜排液時(shí)間均出現(xiàn)極小值，分別為4.8ms和56ms。

3）三相接觸線擴(kuò)散時(shí)間隨氣泡的增大而增大，隨塑料平板疏水性的增大而減小。對疏水性較強(qiáng)的材質(zhì)，三相接觸線擴(kuò)散時(shí)間受氣泡尺寸的影響較小，對較為親水的材質(zhì)，氣泡直徑對三相接觸線擴(kuò)散時(shí)間影響顯著。在氣泡大小相同時(shí)，三相接觸線擴(kuò)散直徑隨塑料平板疏水性的減小而減小。

后續(xù)研究將在不同表面粗糙度和表面活性劑條件下開展更多實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步揭示上升氣泡與塑料平板碰撞黏附行為的影響因素及其規(guī)律。