劉麗明，閆航瑞

(1.武漢工程科技學(xué)院 信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430200；2.中國地質(zhì)大學(xué) 機械與電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

電潤濕效應(yīng)是一種微流體現(xiàn)象，其主要原理是通過調(diào)控導(dǎo)電液滴與介電層基板間的加載電壓，進(jìn)而改變球狀液滴的表面張力以影響其形貌分布，基于此來調(diào)控液滴與基板間的接觸角大小并改變其浸潤特性[1]。目前，該技術(shù)已成為操控固—液界面潤濕最有效和最通用的技術(shù)手段之一，被視為各種流體及光電設(shè)備重要的驅(qū)動機制，其具有調(diào)控范圍廣、響應(yīng)速度快、系統(tǒng)穩(wěn)定等特點[2,3]，在數(shù)字化微流控芯片[4,5]、液體變焦透鏡[6]、電潤濕顯示[7,8]以及柔性電子紙[9]等諸多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

當(dāng)前，針對電潤濕系統(tǒng)的研究主要集中于導(dǎo)電液滴成分影響[10]、介電潤濕的遲滯效應(yīng)[11]、介電材料及厚度[12,13]、電壓大小及電極分布形式影響等[14]。為進(jìn)一步深入探討界面潤濕行為的電控調(diào)節(jié)機理，掌握電場調(diào)控的影響規(guī)律，本文將基于介電潤濕系統(tǒng)，構(gòu)建電潤濕接觸角等效理論方程，同時結(jié)合實驗測試，重點分析加載電壓大小、電壓極性、頻率變化對電潤濕系統(tǒng)其浸潤特性及接觸角大小的影響，為電場調(diào)控作用下的介電潤濕理論在實際工程中的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 電潤濕調(diào)控模型的構(gòu)建

電潤濕效應(yīng)主要是通過操控導(dǎo)電液滴與基底間的電壓來控制液滴與基板間的潤濕性，從而改變固—液界面之間的接觸角。為進(jìn)一步探究界面潤濕行為的電控調(diào)節(jié)機理，構(gòu)建如圖1所示的電潤濕理論模型，重點分析加載電壓大小、電壓極性以及頻率大小對浸潤特性及接觸角變化的影響。

圖1 電潤濕調(diào)控的原理圖

如圖1所示，若液滴在接觸界面達(dá)到平衡狀態(tài)時其固—氣—液三相飽和接觸角為θ，假設(shè)該狀態(tài)下液滴為球冠狀，其半徑為R，則根據(jù)其空間分布和接觸角關(guān)系知液滴體積為

(1)

同時，導(dǎo)電液體與介電層間電荷累積產(chǎn)生的電容效應(yīng)可用吉布斯自由能G來描述，則有

G=(σsl-σsg)A2+σglA1+UE-We

(2)

式中σsl，σsg和σgl分別為固—液、固—氣、液—氣界面的表面張力，A1，A2分別為導(dǎo)電液體與空氣、介電層的接觸面積，UE為由直流電壓產(chǎn)生的電容效應(yīng)在介電層中儲存的靜電能，We為驅(qū)動電場力所做的功，WG為液滴的重力勢能。同時，根據(jù)能量最小原理和液滴體積不變原則，結(jié)合Young方程，即有dG=0和dV=0，則可知多因素耦合的電潤濕接觸角方程為

(3)

式中ξ0為真空中的介電常數(shù)，ξr為介電層相對介電常數(shù)，U為加載電壓，d為介電層厚度。

基于上述理論，在COMSOL中建立界面潤濕行為的電控模型，其主要參數(shù)為：導(dǎo)電玻璃基底ITO、介電層(特氟龍真空蒸發(fā)鍍膜，厚度約為1 μm，介電常數(shù)為2.1)、液滴為濃度5 %的NaCl水溶液，其體積為10 μL。加載電壓0～70 V，則可模擬NaCl水溶液在特氟龍薄膜表面的界面潤濕性行為變化，同時可知該加載電壓下的接觸角大小，如圖2所示。

圖2 接觸角大小與電壓的關(guān)系

由圖2可知，在該模擬條件下，NaCl水溶液在特氟龍薄膜表面的初始接觸角(即U=0 V時)約為120°，在加載電壓從0～70 V逐漸增大過程中，接觸角逐漸減小至約95°，且呈現(xiàn)先緩慢變化后迅速減小的非線性變化趨勢，直至接觸角飽和，液滴在介電層表面逐漸鋪展開來，這表明當(dāng)施加電場時，接觸角會隨著電壓的增大而呈現(xiàn)非線性減小趨勢，直至接觸角飽和。

2 實驗測試與分析

基于上述分析，搭建界面潤濕行為的電控測試平臺，實驗中搭載金屬探針以實現(xiàn)加載電壓大小的調(diào)節(jié)，其直徑約0.15 mm，光學(xué)接觸角測量儀采用SDC-350 H，通過高速攝影結(jié)合圖像處理技術(shù)即可解算出其接觸角，電潤濕調(diào)控實驗平臺如圖3所示。

圖3 電潤濕調(diào)控實驗測試平臺

實驗測試的具體過程是：將鍍有特氟龍薄膜的ITO導(dǎo)電玻璃基底置于測試平臺，在特氟龍薄膜表面滴加約10 μL氯化鈉液滴，隨后，將探針一端插入氯化鈉液滴中，另一端連接到電源正極上，再將ITO導(dǎo)電玻璃基底與直流電源負(fù)極連接起來，打開電源，從0 V開始并逐漸增加，測量液滴在恒定10 s后的接觸角大小。同時，為了減小液滴的揮發(fā)對實驗數(shù)據(jù)的影響，進(jìn)行重復(fù)實驗3～5次后取平均值，直到特氟龍薄膜被擊穿，即可得到正向電壓的電潤濕曲線。同理電極反接即可得到負(fù)向加載的電潤濕曲線，其實驗測試數(shù)據(jù)與理論分析結(jié)果對比如圖4所示。

圖4 直流電壓對電潤濕行為的影響

由圖4可知，在接觸角達(dá)到飽和效應(yīng)之前，無論是施加正向電壓還是負(fù)向電壓，接觸角均會隨著電壓的增大而逐漸減小，且呈現(xiàn)拋物線般的非線性變化趨勢，電潤濕理論模擬與實驗測試數(shù)據(jù)基本吻合。在施加負(fù)向電壓過程中，接觸角迅速減小逐漸趨于飽和，飽和接觸角約為95.3°，飽和電壓為-60 V；而在施加正向電壓時，接觸角減小的速度較為緩慢，接觸角達(dá)到95°而趨于飽和，此時電壓為70 V。顯然，在正向、負(fù)向電壓加載過程中，極性的改變將出現(xiàn)接觸角不對稱變化的差異性，這主要是由于極性的改變造成作用機理的不對稱，該不對稱性主要是由于氯化鈉液滴中Cl-與Na+的體積差異，導(dǎo)致電荷在偏移過程中引起接觸角的不對稱性變化。

同時，基于直流電界面潤濕調(diào)控實驗測試平臺，切換電源至交流電加載，改變交流電電壓大小及頻率分布，進(jìn)行接觸角測試實驗，其實驗測試數(shù)據(jù)與理論分析結(jié)果對比如圖5所示。

圖5 交流電頻率對電潤濕行為的影響

由圖5中數(shù)據(jù)可知：交流電壓為30 V，頻率分別為50，125，250 Hz時，其對應(yīng)的接觸角分別為114.3°，113.8°，112.9°，即施加相同的交流電壓時，頻率越高，接觸角反而越小。這主要是由于在交流電場作用下，電荷進(jìn)入介電層中并逐漸累積，而累積電荷的形成和消失均具有滯后性，當(dāng)交流電頻率較高時，交流電場與介電層中累積電荷形成的電場具有同向性，疊加的結(jié)果將促進(jìn)電潤濕效應(yīng)而使接觸角減小。

同時，當(dāng)交流電頻率分別為50，125，250 Hz時，其飽和電壓分別為65，60，57.5 V，對應(yīng)的接觸角分別為95.1°，94.7°，94.1°，即交流電頻率在50～250 Hz范圍內(nèi)變化時，飽和電壓會隨著頻率的升高而呈反向降低，同時，當(dāng)升高交流電頻率過高時，氯化鈉液滴的三相接觸線處會誘發(fā)動力學(xué)失穩(wěn)，氯化鈉液滴周圍會產(chǎn)生許多衛(wèi)星液滴，綜合動力學(xué)和電潤濕系統(tǒng)分析，主要有如下幾部分原因：1)三相接觸線處的電場分布不均是導(dǎo)致液滴動力學(xué)失穩(wěn)的主要原因；2)同時受到交流電場與介電層中累積電荷形成電場的雙重作用，液滴在三相接觸線處的受力平衡被打破，從而引起動力學(xué)失穩(wěn);3)介電層薄膜是由高分子聚合物通過真空氣相沉積制備，可能存在薄膜厚度分布不均。因此，在電潤濕效應(yīng)的實際應(yīng)用中要尤其避免系統(tǒng)動力學(xué)失穩(wěn)的出現(xiàn)。

3 結(jié) 論

本文基于能量最小原理和液滴體積不變原則，系統(tǒng)構(gòu)建了多因素影響的電潤濕理論模型，詳細(xì)推導(dǎo)了電潤濕系統(tǒng)接觸角數(shù)理方程，重點探究了加載電壓大小、電壓極性以及頻率變化對浸潤特性及接觸角大小的影響。理論分析和實驗測試結(jié)果表明：無論是施加正向電壓還是負(fù)向電壓，接觸角均會隨著電壓的增大而逐漸減小，呈現(xiàn)拋物線般的非線性變化趨勢，且由于液滴離子體積差異使得正、負(fù)向加載具有明顯的不對稱性；而在施加交流電場時，頻率越高，接觸角反而越小，隨著頻率的增大，系統(tǒng)飽和所需電壓也逐漸減小。同時，交流電場快速激變過程中可能誘發(fā)系統(tǒng)動力學(xué)失穩(wěn)，為交流電電場調(diào)控提供了設(shè)計參考。本研究為深入探討界面潤濕行為的電控調(diào)節(jié)機理，揭示電場調(diào)控影響規(guī)律具有重要的意義。