李準(zhǔn),鄭佳宜,高芳,余延順
(南京理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,南京 210094)
潤(rùn)濕性是表征固液接觸狀態(tài)的重要特性,根據(jù)接觸角的不同,表面可分為親水表面、疏水表面和超疏水表面。超疏水表面由于在抗結(jié)冰[1-2]、自清潔[3-4]、油水分離[5-6]、強(qiáng)化傳熱[7-8]等領(lǐng)域表現(xiàn)出的優(yōu)良性能而備受關(guān)注。隨著潤(rùn)濕性研究的深入開(kāi)展,非均勻潤(rùn)濕性表面在液滴操控領(lǐng)域表現(xiàn)出重要的應(yīng)用前景,如微流控[9]、霧水收集[10-11]等。與表現(xiàn)出均一潤(rùn)濕特性的表面不同,非均勻潤(rùn)濕表面多因化學(xué)成分或粗糙結(jié)構(gòu)的不同而表現(xiàn)出潤(rùn)濕性的不均勻分布[12],如潤(rùn)濕性梯度表面[13-14]、圖案化表面[15-19]等,而非均勻潤(rùn)濕性的存在也為液滴的可控運(yùn)動(dòng)提供了可能。然而,潤(rùn)濕性梯度表面和圖案化表面存在加工工藝復(fù)雜、效率低等問(wèn)題,直接在超疏水表面上構(gòu)建軌道則受到了眾多學(xué)者的關(guān)注。目前,學(xué)者們已開(kāi)發(fā)出不同方法用以加工目標(biāo)軌道。如Seo 等[20]采用紫外光催化分解效應(yīng),在涂覆十二烷基三氯硅烷的超疏水納米陣列上獲得了親水軌道。Finn 等[21]采用激光切割法獲得了具有精確微結(jié)構(gòu)的溝槽圖案。Balu 等[22]則采用印刷技術(shù)在超疏水紙面上獲得了親水跡線等。在此基礎(chǔ)上,學(xué)者們開(kāi)展了有關(guān)軌道寬度、軌道深度、軌道性質(zhì)等多方面的研究,實(shí)現(xiàn)了液滴的定向控制、混合、選擇性輸運(yùn)等多種功能,為液滴輸運(yùn)提供了許多新的思路。Yang 等[23]通過(guò)觀察液滴在親水軌道上的運(yùn)動(dòng)情況,發(fā)現(xiàn)液滴在平行軌道方向上的運(yùn)動(dòng)阻力明顯小于垂直方向,從而保證液滴在一定范圍內(nèi)不偏離軌道。Jiang 等[24]則發(fā)現(xiàn),相比軌道深度而言,軌道寬度對(duì)液滴輸運(yùn)的影響更大,并成功實(shí)現(xiàn)了液滴在親水軌道上的混合和定向收集。除了液滴在軌道上的運(yùn)動(dòng)研究外,Sousa 等[25]觀察了連續(xù)水流在親水線上的流動(dòng)情況,其在線條寬度為 0.5 mm,流量達(dá)到1.6 mL/min 的情況下依然能保持良好的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),當(dāng)流動(dòng)情況隨著流量的增大而惡化時(shí),只需適當(dāng)增加線條寬度便可有效改善。而除了親水軌道外,有學(xué)者也開(kāi)展了疏水軌道的相關(guān)研究,以求實(shí)現(xiàn)液滴的無(wú)損輸運(yùn)[26]。
雖然液滴在軌道上的運(yùn)動(dòng)研究已獲得不少成果,然而現(xiàn)有的研究中軌道類型相對(duì)單一,多為單軌軌道,且就單軌軌道而言,當(dāng)液滴運(yùn)動(dòng)速度較快或體積較大時(shí),也存在偏離軌道的問(wèn)題。本文開(kāi)展了液滴在雙軌軌道上的運(yùn)動(dòng)試驗(yàn),包括平行雙軌和軌道間距漸變的非平行雙軌,研究液滴在雙軌軌道上的運(yùn)動(dòng)阻力隨軌道寬度和軌道間距的變化規(guī)律,討論液滴運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與軌道參數(shù)之間的關(guān)系,并對(duì)液滴在雙軌軌道上的力學(xué)特性進(jìn)行分析。
采用噴涂法進(jìn)行不銹鋼超疏水表面的制備,所采用的涂料分為底涂涂料和面涂涂料兩種。底涂涂料以醋酸丁酯為溶劑,加入改性氟樹(shù)脂和丙酮,并進(jìn)行磁力攪拌;面涂涂料由丙酮和氟改性二氧化硅經(jīng)磁力攪拌混合而成,可對(duì)固體表面進(jìn)行改性。超疏水表面具體制備過(guò)程如下:首先將不銹鋼片(40 mm×50 mm)用砂紙打磨,去除表面氧化層及污漬;將打磨后的不銹鋼片用去離子水進(jìn)行超聲清洗再干燥處理;而后將底涂涂料充分?jǐn)嚢杈鶆?,用噴槍將其多次薄而均勻地噴涂在不銹鋼片表面,噴涂厚度約為0.03~ 0.05 mm,待涂層自然風(fēng)干;底涂涂層風(fēng)干后,采用相同方法在底涂涂層上方噴涂面涂涂料,涂層厚度同上,自然風(fēng)干2 h。對(duì)風(fēng)干后的不銹鋼片進(jìn)行接觸角及滾動(dòng)角測(cè)量,隨機(jī)選取3 處不同位置,最終測(cè)得其接觸角為(160±2)°,滾動(dòng)角為(2±0.3)°。
親水軌道的加工選用激光刻蝕法。軌道參數(shù)的確定從加工效率、試驗(yàn)可行性、試驗(yàn)誤差等多方面考量。對(duì)于軌道寬度而言,軌道寬度太小,液滴極易在運(yùn)動(dòng)初始偏離軌道方向,難以獲取有效數(shù)據(jù);寬度太大,體積較小的液滴一旦接觸軌道便會(huì)馬上鋪展變形,無(wú)法保持原有形狀。而前期的文獻(xiàn)調(diào)研也表明,親水軌道寬度設(shè)置以0.1~1.0 mm 之間為宜,故軌道寬度在此范圍內(nèi)進(jìn)行選擇。其次,為了更好地反映不同軌道寬度之間的差異,軌道寬度的選擇不宜太接近,故選擇0.2、0.4 和0.8 mm 3 組數(shù)據(jù)。軌道間距的確定主要基于兩點(diǎn):間距太小,既增大加工難度,也會(huì)引起軌道邊緣毛刺數(shù)量增加,導(dǎo)致受損表面所占比率增大,從而增大試驗(yàn)誤差;間距太大,液滴極易從軌道之間的超疏水表面滑離而無(wú)法開(kāi)展試驗(yàn),故選擇1.0、1.5 和2.0 mm 3 組數(shù)據(jù)(見(jiàn)表1)。由于采用的不銹鋼為親水性材料,故軌道深度超過(guò)涂層厚度即可獲得親水軌道,根據(jù)表面涂層厚度,最終確定軌道刻蝕深度為0.1 mm。
表1 軌道參數(shù)Tab.1 Parameters of tracks
從力學(xué)角度而言,液滴能否沿著一定傾斜角度的軌道運(yùn)動(dòng)取決于驅(qū)動(dòng)力(液滴重力分力)與軌道表面黏附力的相對(duì)大小。當(dāng)液滴重力分力小于軌道黏附力時(shí),液滴將黏附在軌道表面,此時(shí),需增大重力分力直至大于表面粘附力才能驅(qū)動(dòng)液滴運(yùn)動(dòng)。增大重力分力一般有兩種方式,一是保持液滴體積不變,通過(guò)提高表面傾斜角度達(dá)到增大重力分力的目的,但當(dāng)液滴體積較小時(shí),可能出現(xiàn)其始終黏附在軌道上的情況,即使表面傾斜角度達(dá)到90°也無(wú)法使液滴運(yùn)動(dòng);二是保持傾斜角度不變,通過(guò)增大液滴體積以增大重力分力??紤]試驗(yàn)裝置的可操作性以及方式一的局限性,本文通過(guò)增大液體體積的方式來(lái)克服軌道黏附力,并將液滴剛好能沿著軌道運(yùn)動(dòng)的體積定義為臨界滑動(dòng)體積,臨界滑動(dòng)體積越大,即液滴運(yùn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力越大,其運(yùn)動(dòng)阻力也就越大。
試驗(yàn)裝置由液滴發(fā)生裝置、圖像采集裝置、傾角可調(diào)平臺(tái)和其它輔助部件(光源)組成。液滴發(fā)生裝置主要包括控制器、步進(jìn)裝置和注射器,注射器位于步進(jìn)裝置底端,通過(guò)控制器控制步進(jìn)裝置的啟停和進(jìn)給速度以擠壓注射器產(chǎn)生液滴。圖像采集裝置由攝像儀和計(jì)算機(jī)組成,實(shí)時(shí)拍攝試驗(yàn)現(xiàn)象。試驗(yàn)時(shí),將親水軌道表面放置于傾角可調(diào)的平臺(tái)上,通過(guò)此平臺(tái)調(diào)節(jié)表面傾斜角度;手動(dòng)調(diào)節(jié)注射器尖端與軌道表面的垂直距離,既保證液滴能正常脫離注射器尖端,又使液滴落于軌道時(shí)保持較小的撞擊速度,以減少液滴的濺射。試驗(yàn)裝置原理如圖1 所示。
圖1 試驗(yàn)裝置原理圖Fig.1 Schematic diagram of experimental setup
為了了解液滴與軌道的接觸特性,從不同方向觀察了液滴在軌道上的潤(rùn)濕狀態(tài)(見(jiàn)圖2)。對(duì)于寬度為0.8 mm 的單軌軌道(如圖2a、b 所示),液滴在平行軌道方向依然保持著較大的接觸角;而從垂直軌道方向來(lái)看,液滴與軌道間的接觸角明顯小于90°,且在親水軌道毛細(xì)力的作用下,液滴與軌道之間形成向兩側(cè)鋪展的“液橋”(紅圈處)。對(duì)于間距為1.0 mm,寬度為0.8 mm 的雙軌軌道(如圖2c、d 所示),由于軌道間距的原因,即使從平行軌道方向來(lái)看,液滴也與表面有著較大的接觸面積;在垂直軌道方向,液滴在雙軌軌道上的接觸角較單軌軌道更小,鋪展長(zhǎng)度明顯增加。
圖2 液滴在軌道不同方向上的潤(rùn)濕狀態(tài):(a)(b):?jiǎn)诬墾C寬度0.8 mm;(c)(d):雙軌–寬度0.8 mm,間距1.0 mmFig.2 Wetting state of water droplets on the tracks in different directions: a) b) single track-track width 0.8 mm; c) d) dual-rail tracks-tracks width 0.8 mm, tracks spacing1.0 mm
圖3 記錄了當(dāng)傾角為20°時(shí),液滴在寬0.2 mm,間距1.0 mm 的雙軌軌道上的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程。在試驗(yàn)過(guò)程中,注射器每次產(chǎn)生一個(gè)液滴,將單個(gè)液滴體積計(jì)為1V(3~4 μL),2V代表兩個(gè)液滴混合的體積,以此類推。在未達(dá)到臨界滑動(dòng)體積時(shí),液滴將粘附在軌道上(見(jiàn)圖3a),此時(shí)控制步進(jìn)裝置擠壓注射器繼續(xù)產(chǎn)生液滴,直至液滴能沿著軌道順利運(yùn)動(dòng),記錄所滴下液滴的數(shù)量,以此表征此工況下的臨界滑動(dòng)體積。
圖3 液滴在雙軌軌道上的運(yùn)動(dòng)過(guò)程Fig.3 Motion process of water droplets on dual-rail tracks
圖4 記錄了液滴在不同工況下的臨界滑動(dòng)體積(軌道間距為0 代表單軌軌道)。以傾角為10°的工況為例(見(jiàn)圖4a),液滴在寬0.2、0.4 和0.8 mm 的單軌軌道上對(duì)應(yīng)的臨界滑動(dòng)體積分別為4V、6V和10V;而在間距為1.0 mm 的雙軌軌道上,3 種寬度所對(duì)應(yīng)的臨界滑動(dòng)體積分別為9V、12V和17V。可以看出,無(wú)論是單軌軌道還是雙軌軌道,臨界滑動(dòng)體積均隨著軌道寬度的增大而增大,且液滴在雙軌軌道上的臨界滑動(dòng)體積明顯大于單軌軌道。但隨著軌道間距的增大,液滴在雙軌軌道與單軌軌道上的臨界滑動(dòng)體積差距減小。如在10°的工況下,軌道寬度為0.2 mm 時(shí),間距為1.5 mm 和2.0 mm 的雙軌軌道對(duì)應(yīng)的臨界滑動(dòng)體積分別為8V和6V,均小于間距為1.0 mm 時(shí)的臨界滑動(dòng)體積(9V),呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。據(jù)此,可以合理推斷,對(duì)于雙軌軌道而言,液滴運(yùn)動(dòng)阻力隨軌道間距的增大而減小,兩者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。為了更加具體地反映液滴在雙軌軌道與單軌軌道上運(yùn)動(dòng)阻力的差異,圖4d 表征了相同軌道寬度下,液滴在雙軌軌道上的臨界滑動(dòng)體積(VⅡ)與在單軌上的臨界滑動(dòng)體積(VⅠ)的平均比值。當(dāng)軌道由單軌變?yōu)殡p軌時(shí),軌道數(shù)量變?yōu)樵瓉?lái)的2 倍,但液滴運(yùn)動(dòng)阻力可增大2倍以上。而隨著軌道間距的增大,液滴運(yùn)動(dòng)阻力增大的比例逐漸降低,在軌道間距為2.0 mm 時(shí),約為單軌時(shí)的1.6 倍。
圖4 液滴在不同傾角下的臨界滑動(dòng)體積Fig.4 Critical sliding volume of water droplets at different dip angles:a) 10°; b)20°; c)30°; d) ratio of critical sliding volume on dual-rail tracks(VⅡ) to critical sliding volume on single track (VI)
根據(jù)固體表面水滴運(yùn)動(dòng)的力學(xué)模型,液滴運(yùn)動(dòng)阻力可表示為[27]:
Ff=λAv(1)
式中:λ為表面的摩擦系數(shù),A為固–液接觸面積,v為液滴運(yùn)動(dòng)速度。如圖5 所示,液滴與固體表面的接觸面積包括與超疏水表面的接觸面積(AS)和與親水軌道的接觸面積(2AH)兩部分,而超疏水表面由于其良好的拒水性,表面黏附力基本可忽略不計(jì),故液滴運(yùn)動(dòng)阻力主要受與親水軌道的接觸面積AH的影響。當(dāng)軌道寬度一定時(shí),AH直接由液滴鋪展長(zhǎng)度LP決定。液滴與小間距的雙軌軌道接觸時(shí),其鋪展長(zhǎng)度記為L(zhǎng)P1,隨著軌道間距的增大,垂直軌道方向的拉伸效果增強(qiáng),為保持液滴內(nèi)部壓力平衡,液滴將沿著平行軌道的方向收縮,其鋪展長(zhǎng)度記為L(zhǎng)P2,而LP2明顯小于LP1,其與親水軌道的接觸面積也隨之減小,即軌道間距越大,液滴與親水軌道的接觸面積越小,液滴運(yùn)動(dòng)阻力也就越小。
圖5 液滴在不同間距親水軌道上的鋪展?fàn)顟B(tài)Fig.5 Spreading state of water droplets on hydrophilic tracks with different spacing
在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn),未達(dá)到臨界滑動(dòng)體積前,液滴混合時(shí)存在一定程度的形變,待混合后,即恢復(fù)成類球狀。為了驗(yàn)證液滴形變對(duì)液滴臨界滑動(dòng)體積的影響,在表面傾角為20°的工況下,觀察液滴由不同高度滴落混合時(shí)各工況臨界滑動(dòng)體積的變化。結(jié)果表明,在合理的下降高度內(nèi),雖然液滴混合時(shí)存在不同程度的形變,但基本不影響液滴的臨界滑動(dòng)體積(見(jiàn)圖6)。一方面,在較低的下降高度內(nèi),單個(gè)液滴下落的撞擊力有限,基本可忽略不計(jì)。另一方面,液滴運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力來(lái)自液滴沿軌道方向的重力分力,其只與液滴重力有關(guān),不受液滴形態(tài)影響;而運(yùn)動(dòng)阻力主要與液滴和親水軌道的接觸面積有關(guān),微小的液滴形變并不會(huì)對(duì)液滴與軌道的接觸產(chǎn)生明顯影響。但需指出的是,下落高度越高,液滴混合時(shí)的形變?cè)絼×?,極易增大試驗(yàn)誤差,因此,盡管液滴形變并不影響臨界滑動(dòng)體積,但仍需嚴(yán)格控制液滴下落高度。
圖6 雙軌軌道間距為1.0 mm 時(shí)臨界滑動(dòng)體積與液滴下落高度的關(guān)系(20°)Fig.6 Relationship between critical sliding volume and drop height of water droplets when dual-rail tracks spacing is 1.0 mm (20°)
從液滴運(yùn)動(dòng)的終止?fàn)顟B(tài)來(lái)看,液滴可從軌道末端滑離,也可停滯在軌道中途或軌道末端。當(dāng)液滴在寬度為0.2 mm 和0.4 mm 的單軌軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí),液滴均能從軌道末端滑離。在寬度為0.8 mm 的雙軌軌道上,液滴基本無(wú)法運(yùn)動(dòng)到軌道末端;除此之外,在10°工況下,液滴在間距為1.0 mm,寬度為0.2 mm 和0.4 mm的雙軌軌道上也出現(xiàn)了無(wú)法運(yùn)動(dòng)到軌道末端的情況。在其他工況下,液滴運(yùn)動(dòng)到軌道末端后由于軌道末端的局部阻力,最終停滯在軌道末端(見(jiàn)圖3e)。如圖7 所示(橫坐標(biāo)中坐標(biāo)形式為#代表單軌軌道,軌道寬度為#;坐標(biāo)形式為#1/#2代表雙軌軌道,#1代表軌道寬度,#2代表軌道間距),液滴在0.2 mm 和0.4 mm的單軌軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí),其平均速度明顯高于其他工況,均在5 cm/s 以上,在保證液滴運(yùn)動(dòng)到軌道末端的同時(shí),也為液滴克服軌道末端阻力提供了較大的動(dòng)能。除了運(yùn)動(dòng)速度外,軌道的寬度和數(shù)量是影響液滴運(yùn)動(dòng)終止?fàn)顟B(tài)的另一因素。軌道越寬,數(shù)量越多,意味著軌道末端的局部阻力越大,液滴滑離軌道時(shí)也就越困難。對(duì)于液滴能否運(yùn)動(dòng)到軌道末端,軌道寬度和數(shù)量成為主要影響因素。液滴停滯于軌道中途的工況集中在0.8 mm 寬的大寬度雙軌軌道,由于該類型軌道粘附力相對(duì)較大,且在親水軌道毛細(xì)力的作用下,液滴運(yùn)動(dòng)過(guò)程中存在大量體積損失(見(jiàn)圖8),導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)力不足,使液滴在到達(dá)軌道末端前速度便已減小到0。
間距漸變的非平行雙軌軌道分為窄端(Narrow,記為N 端)和寬端(Wide,記為W 端),分別進(jìn)行液滴由N 端向W 端及由W 端向N 端的運(yùn)動(dòng)試驗(yàn),部分運(yùn)動(dòng)過(guò)程如圖9 所示。
圖9 液滴在非平行雙軌軌道上的運(yùn)動(dòng)(軌道寬度為0.8 mm)Fig.9 Motion of water droplets on nonparallel dual-rail tracks(tracks width is 0.8 mm): a) tracks spacing: 0.6/1.4 mm;b) tracks spacing: 0.9/2.1 mm; c) tracks spacing: 1.2/2.8 mm
對(duì)于非平行雙軌軌道而言,本文更關(guān)注運(yùn)動(dòng)方向之間的差異。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)說(shuō),液滴從N 端運(yùn)動(dòng)至W 端的臨界滑動(dòng)體積整體略高于從W 端至N 端(如圖10 所示,橫坐標(biāo)中NW1 表示液滴從N 端向W 端運(yùn)動(dòng),1 代表軌道兩端間距分別為0.6 mm 和1.4 mm,即平均間距為1 mm 的雙軌軌道,以此類推)。如在傾角為10°的工況下,軌道寬度為0.2 mm 時(shí),NW1工況的臨界滑動(dòng)體積為10V,而WN1 工況的臨界滑動(dòng)體積僅為9V。為了量化不同滑動(dòng)方向上的運(yùn)動(dòng)阻力差異,圖11(橫坐標(biāo)#1/#2中#1代表軌道寬度,#2代表平均軌道間距)記錄了液滴由W 端運(yùn)動(dòng)至N 端的臨界滑動(dòng)體積(VWN)與由N 端運(yùn)動(dòng)至W 端的臨界滑動(dòng)體積(VNW)的比值。由于表面傾角越大,單個(gè)液滴提供的驅(qū)動(dòng)力越大,因此,為了盡量減小誤差,選取10°工況下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,總體而言,液滴由W端至N端的運(yùn)動(dòng)阻力約為由N端至W端的90.7%。
圖10 液滴在不同傾角下的臨界滑動(dòng)體積Fig.10 Critical sliding volume of water droplets at different dip angles: a) 10°; b) 20°; c)30°
圖11 液滴在不同運(yùn)動(dòng)方向上臨界滑動(dòng)體積的比值Fig.11 Ratio of critical sliding volume of waterdroplets in different moving directions
究其原因,液滴與非平行雙軌軌道接觸時(shí),由于軌道間距漸變,液滴兩端會(huì)形成不同程度的形變(見(jiàn)圖12)。在兩條親水軌道的作用下,液滴被縱向拉伸,形成表面張力Fγ,而Fγ沿軌道方向的分力Fγg將促進(jìn)或抑制液滴在軌道上的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)液滴從N 端滑向W端時(shí),F(xiàn)γg與液滴運(yùn)動(dòng)方向相反,表現(xiàn)為阻力,會(huì)在一定程度上抑制液滴的運(yùn)動(dòng),此時(shí)需增大液滴體積以提高驅(qū)動(dòng)力;反之,當(dāng)液滴從W 端滑向N 端時(shí),F(xiàn)γg與液滴運(yùn)動(dòng)方向相同,表現(xiàn)為助力,將有利于液滴在該方向上的運(yùn)動(dòng),液滴臨界滑動(dòng)體積從而有所減小。此外,在親水軌道毛細(xì)力的作用下,液滴與軌道之間會(huì)形成類似圖2 中的“液橋”,由于液滴兩側(cè)軌道間距的差異,兩端所形成的“液橋”長(zhǎng)度也略有不同,軌道間距越小,對(duì)應(yīng)的“液橋”越長(zhǎng)。當(dāng)液滴由W端向N 端運(yùn)動(dòng)時(shí),N 端“液橋”的附加力FN表現(xiàn)為助力,W 端“液橋”的附加力FW表現(xiàn)為阻力,由于FN>FW,也在一定程度上降低了液滴由W 端向N 端的運(yùn)動(dòng)阻力。
圖12 液滴在非平行雙軌軌道上的力學(xué)分析Fig.12 Mechanical analysis of water droplets on nonparallel dual-rail tracks
試驗(yàn)誤差主要來(lái)源于兩方面:1)材料誤差。由于親水軌道的制備采用激光刻蝕法,因此難以避免會(huì)在軌道邊緣處形成毛刺,而軌道內(nèi)部也有形成局部凹坑的可能,當(dāng)液滴與此處接觸時(shí),極易增大局部粘附力而影響試驗(yàn)效果,可通過(guò)采用高精度加工設(shè)備或改進(jìn)制備方法來(lái)降低誤差。2)操作誤差。液滴由注射器產(chǎn)生,雖然推進(jìn)裝置能在一定程度上保證擠壓速度相同,但仍然難以保證單個(gè)液滴體積完全相同;其次,為了保證液滴能正常滴落而不粘附在注射器尖端處,需嚴(yán)格控制注射器與軌道之間的垂直距離,從而導(dǎo)致下落的液滴有一定的速度,當(dāng)落在軌道上或與粘附在軌道上的液滴混合時(shí),極易出現(xiàn)濺射而影響試驗(yàn)效果。
采用噴涂法制備了超疏水表面,后采用激光刻蝕法在超疏水表面加工出親水軌道,以臨界滑動(dòng)體積表征不同親水軌道的表面黏附力,研究了液滴在不同親水軌道上的運(yùn)動(dòng)特性,具體結(jié)論如下。
1)液滴在雙軌軌道上的運(yùn)動(dòng)阻力約為單軌軌道上的1.6~2.4 倍,與軌道寬度呈正相關(guān),與軌道間距呈負(fù)相關(guān),主要受液滴與親水軌道的接觸面積影響。
2)液滴滑離軌道末端的工況集中在0.2、0.4 mm寬的單軌軌道上,其平均運(yùn)動(dòng)速度大于5 cm/s;而液滴中途停滯的工況集中在0.8 mm 寬的雙軌軌道上,與液滴運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的體積損失有關(guān)。
3)液滴在非平行雙軌軌道上的臨界滑動(dòng)體積與運(yùn)動(dòng)方向有關(guān),由W 端至N 端的運(yùn)動(dòng)阻力較由N 端至W 端更小,前者約為后者的90.7%,與液滴的表面張力有關(guān)。