劉前凱，張杰，孫鵬程,2，王建平，趙威，楊吟飛，趙國(guó)龍，陳妮，李亮，何寧，郝秀清*

梯度潤(rùn)濕性圖案化表面的制備及其輸運(yùn)性能研究

劉前凱1，張杰1，孫鵬程1,2，王建平1，趙威1，楊吟飛1，趙國(guó)龍1，陳妮1，李亮1，何寧1，郝秀清1*

（1.南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，南京 210016；2.香港城市大學(xué) 機(jī)械工程系，香港 999077）

針對(duì)液體輸運(yùn)距離短、速度慢等問題，提出一種基于梯度疏水基底的箭形圖案化表面，該表面能有效改善液滴的輸運(yùn)性能。對(duì)鋁合金表面依次進(jìn)行預(yù)處理、激光加工基底、低表面能改性處理和激光加工箭形親水圖案，得到具有良好輸運(yùn)性能的圖案化表面。深入研究激光掃描速度對(duì)鋁合金表面形貌和潤(rùn)濕性的影響。隨著激光掃描速度的提高，表面微結(jié)構(gòu)由“微納分層結(jié)構(gòu)”逐漸變?yōu)椤皝單⒚捉Y(jié)構(gòu)”，鋁合金表面的粗糙度逐漸變小，導(dǎo)致表面靜態(tài)接觸角由150°左右降至107°左右，動(dòng)態(tài)接觸狀態(tài)由滾動(dòng)狀態(tài)變?yōu)獒斣鸂顟B(tài)。另外，隨著掃描速度的增加，基底表面O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從11.2%降至7.7%，F(xiàn)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從17.6%降至10.6%，表明表面氧化物減少，導(dǎo)致表面對(duì)含F(xiàn)有機(jī)物的吸附能力減弱，進(jìn)而導(dǎo)致表面疏水性降低。液滴在基于梯度疏水基底的箭形圖案化表面上的輸運(yùn)距離可達(dá)到61 mm，相較于均勻疏水基底，提高了34%。采用梯度激光掃描速度和低表面能處理可簡(jiǎn)單、快速地獲得梯度疏水基底，相較于基于均勻疏水基底的圖案化表面，液滴在基于梯度疏水基底的圖案化表面上的輸運(yùn)性能得到顯著提高，液滴自發(fā)、定向和高性能的輸運(yùn)在水收集裝置、傳熱設(shè)備等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

納秒激光；梯度疏水基底；箭形親水圖案；輸運(yùn)距離；潤(rùn)濕性；定向輸運(yùn)

液滴的自發(fā)、定向輸運(yùn)具有較大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，可應(yīng)用于微流控、水收集及傳熱設(shè)備等方面[1-4]。目前，驅(qū)動(dòng)液滴自發(fā)輸運(yùn)的主要方式為構(gòu)建表面梯度特征，具體包括形狀梯度、表面能梯度和粗糙度梯度等[5]。這些單梯度驅(qū)動(dòng)液滴的方式普遍存在輸運(yùn)性能不佳的問題，極大地限制了自輸運(yùn)技術(shù)的應(yīng)用。例如，潤(rùn)濕梯度已被廣泛用于液滴運(yùn)輸，如果將潤(rùn)濕梯度力作為唯一的驅(qū)動(dòng)力，則液滴的運(yùn)輸性能較差[6-10]。在形狀梯度方面，Huang等[11]設(shè)計(jì)了一種由超疏水基底和親水軌道組成的新型竹狀無泵平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)液滴無損輸運(yùn)，液滴輸運(yùn)性能得到顯著提高，其平均輸運(yùn)速度可達(dá)到57.88 mm/s左右，最遠(yuǎn)輸運(yùn)距離可達(dá)到107 mm左右。由于竹狀無泵平臺(tái)運(yùn)輸液滴的體積為100～300 μL，因而它的應(yīng)用場(chǎng)景受到限制。近年來，通過將潤(rùn)濕梯度和形狀梯度相結(jié)合的多梯度驅(qū)動(dòng)液滴方法受到廣泛關(guān)注。

潤(rùn)濕梯度表面主要通過粗糙度梯度和表面能梯度兩種方法來構(gòu)建。近年來，國(guó)內(nèi)外研究者已經(jīng)提出了多種潤(rùn)濕梯度表面的制備方法，如化學(xué)氣相沉積[12]、靜電紡絲[13-14]、3D打印[15-17]、光刻涂覆法[18]和激光刻蝕[19-22]等。Feng等[23]通過梯度陽極氧化方法在多錐體表面構(gòu)建了潤(rùn)濕梯度表面，開發(fā)了一種多錐體與潤(rùn)濕梯度復(fù)合的表面，液體運(yùn)輸至2個(gè)錐體的連接處時(shí)，在拉普拉斯壓力差和潤(rùn)濕梯度的共同作用下液滴順利通過。Gurera等[24]通過3D打印技術(shù)構(gòu)建了丙烯酸聚合物單錐體，采用紫外線光照和掩膜技術(shù)，并通過控制光照時(shí)間，在單錐體表面制備了具有潤(rùn)濕梯度的表面，該錐體的集水效率得到顯著提高。Li等[25]將具有楔形掩模的銅塊放入Ag(NH3)2OH溶液中反應(yīng)，通過控制溶液的用量制備了一種內(nèi)部存在潤(rùn)濕梯度的楔形表面，液滴（5 μL）在該表面的運(yùn)輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)到21.6 mm左右，平均運(yùn)輸速度約為0.53 mm/s。Deng等[26]通過梯度陽極氧化方法處理石墨板，形成了潤(rùn)濕梯度表面，然后用疏水材料涂覆，以確保周圍疏水，最后剝離楔形疏水圖案，以在可濕性梯度表面構(gòu)建拉普拉斯壓力梯度，液滴（2 μL）在其表面可實(shí)現(xiàn)2.6 mm左右的輸運(yùn)。Rossegger等[27]通過不對(duì)稱照射光敏聚合物，制造了一種具有潤(rùn)濕梯度和拉普拉斯壓力梯度的復(fù)合梯度表面，這2個(gè)梯度的結(jié)合使得液滴（2 μL）實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)達(dá)10 mm左右的快速定向移動(dòng)。上述潤(rùn)濕梯度表面的制備方法存在工序復(fù)雜、加工時(shí)間長(zhǎng)等問題，難以滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求。目前，關(guān)于潤(rùn)濕梯度和形狀梯度的復(fù)合表面研究大多存在速度低、輸運(yùn)距離短等問題，這阻礙了液滴輸運(yùn)在實(shí)際環(huán)境中的應(yīng)用，因而有必要探索一種可以實(shí)現(xiàn)液滴長(zhǎng)距離、定向和高速輸運(yùn)的表面。

文中采用納秒激光加工與低表面能處理相結(jié)合的方法制備一種基于梯度疏水基底的箭形圖案化表面，該方法工藝簡(jiǎn)單，且具有經(jīng)濟(jì)性和可靠性。通過研究掃描速度對(duì)表面潤(rùn)濕性的影響，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)梯度疏水基底的制備。此外，相較于基于均勻疏水基底的潤(rùn)濕性圖案化表面，基于梯度疏水基底的箭形圖案化表面的液滴輸運(yùn)性能得到顯著提高，證明梯度疏水基底能夠改善親水圖案的輸運(yùn)性能，這為多梯度驅(qū)動(dòng)液滴提供了新的思路，有助于水收集裝置、傳熱設(shè)備和生物實(shí)驗(yàn)設(shè)備的開發(fā)。

1 試驗(yàn)

1.1 基于梯度疏水基底的箭形圖案化表面的制備

基于梯度疏水基底的箭形圖案化表面加工過程可以分為激光加工基底、低表面能改性處理和激光加工箭形親水圖案3個(gè)步驟，如圖1所示。具體工藝流程如下。

圖1 基于梯度疏水基底的箭形圖案化表面加工過程

1）樣品前處理。首先將6061鋁合金板（120 mm × 20 mm × 5 mm）放入體積分?jǐn)?shù)為 99%的無水乙醇中，采用超聲波清洗10 min，然后用吹風(fēng)機(jī)冷風(fēng)吹干。

2）激光加工基底。將前處理后的鋁合金板置于納秒激光平臺(tái)上，然后以梯度掃描速度在鋁合金表面進(jìn)行激光掃描，形成梯度親水基底。激光的掃描方式：從相互垂直的2個(gè)方向掃描，每個(gè)掃描方向各加工1次。所用的加工設(shè)備為納秒激光器（SK-CX20，上海三克激光科技有限公司），其波長(zhǎng)為1 064 nm，脈沖寬度為200 ns，最大功率為20 W，頻率為20～100 kHz。

3）低表面能改性處理。將干燥后的已加工表面置于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%的十七氟硅烷（FAS-17）中浸泡1 h，對(duì)其進(jìn)行氟化處理，浸泡后自然風(fēng)干，形成梯度疏水基底。梯度疏水基底由多個(gè)長(zhǎng)方形單元無縫連接而成，每個(gè)長(zhǎng)方形單元內(nèi)部的潤(rùn)濕性一致，沿著方向，長(zhǎng)方形單元的疏水性不斷下降，導(dǎo)致基底表面疏水性離散下降。這里制備了4種具有不同平均潤(rùn)濕梯度（）的疏水基底，不同梯度疏水基底的激光加工參數(shù)如表1所示。根據(jù)長(zhǎng)方形單元的疏水性沿著方向的下降幅度來定義，計(jì)算公式：=Δ。其中，Δ為計(jì)算區(qū)域的第1個(gè)長(zhǎng)方形單元與最后一個(gè)長(zhǎng)方形單元的接觸角之差，為計(jì)算區(qū)域的長(zhǎng)度。

4）激光加工箭形親水圖案。采用相同掃描速度的激光在梯度疏水基底上加工箭形親水圖案，便于液滴運(yùn)輸。由于激光在空氣中加工會(huì)產(chǎn)生高表面能，使得圖案具有超親水特性，接觸角約為0°，圖案內(nèi)部的潤(rùn)濕性一致，加工親水圖案的參數(shù)見表2。至此，基于梯度疏水基底的箭形圖案化表面制備完成，其中圖案內(nèi)部為均勻的超親水性，圖案外部呈現(xiàn)梯度疏水性。

表1 用于加工箭形圖案化表面的不同梯度疏水基底的激光參數(shù)

Tab.1 Laser parameters of different hydrophobic substrates for preparation of arrow-shaped patterned surfaces

表2 用于加工親水圖案的激光參數(shù)

Tab.2 Laser parameters for the preparation of hydrophilic patterns

1.2 性能表征

采用掃描電鏡（SEM，Quanta250FEG，F(xiàn)EI，美國(guó)）和三維光學(xué)輪廓儀（Sneox，Sensofar，西班牙）的共聚焦顯微鏡分別測(cè)量表面形貌和三維輪廓。表面化學(xué)成分的測(cè)量通過掃描電鏡的能譜分析單元（EDS）實(shí)現(xiàn)。這里采用接觸角測(cè)量?jī)x（OCA25HTV，Dataphysics，德國(guó)）測(cè)量表面接觸角（）和滾動(dòng)角（），測(cè)量所用液體為去離子水（南京化學(xué)試劑股份有限公司），液滴的體積為5 μL。在測(cè)試過程中，選取表面5個(gè)不同的位置，并取其平均值。在自輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)前，需要對(duì)親水圖案進(jìn)行預(yù)潤(rùn)濕，即提前滴入幾滴液體（每滴液體的體積為5 μL）潤(rùn)濕親水圖案，這樣可以消除毛細(xì)現(xiàn)象對(duì)液滴運(yùn)輸能力的影響。文中的圖片由配備微型鏡頭（SEL90M28G，日本索尼公司）的商用相機(jī)（索尼α7，日本）拍攝。液滴的自輸運(yùn)過程通過工業(yè)相機(jī)（OSG030-815UC，OSG230-150UM，YVSION，中國(guó)）拍攝，通過單位移動(dòng)距離除以所用時(shí)間，得到液體的輸送速度。

2 結(jié)果與分析

探究了掃描速度對(duì)基底表面潤(rùn)濕性的影響，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)基底表面潤(rùn)濕性的精準(zhǔn)控制，并探究了基底表面形貌和化學(xué)成分對(duì)表面潤(rùn)濕性的影響，并測(cè)試了基于梯度疏水基底的箭形圖案化表面的輸運(yùn)性能。

2.1 激光掃描速度對(duì)表面潤(rùn)濕性的調(diào)控及內(nèi)在機(jī)理分析

基底表面潤(rùn)濕性主要受到表面形貌的影響，表面形貌與潤(rùn)濕性之間的關(guān)系如圖2所示。當(dāng)掃描速度為200 mm/s時(shí)，表面被加工為不規(guī)則的微米級(jí)凸起，納米級(jí)凸起附著在微米級(jí)突起上，形成了分層的微納米結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致表面的固液接觸面積較小，表面疏水性較大，此時(shí)表面的靜態(tài)接觸角（）和滾動(dòng)角（）分別約為150°和5.6°。隨著掃描速度的增加，微米級(jí)凸起的尺寸逐漸變小，納米級(jí)凸起消失，固液接觸面積增加，導(dǎo)致表面疏水性下降。在8 000 mm/s的激光掃描速度下加工后，基底的靜態(tài)接觸角約為107°，液滴在表面處于釘扎狀態(tài)。此外，僅氟化處理過的基底，其表面并無微凸起，存在亞微米級(jí)凸起，導(dǎo)致其表面疏水性最低，約為91°。激光掃描速度對(duì)基底表面潤(rùn)濕性的影響如圖3所示，隨著激光掃描速度的增加，表面的動(dòng)態(tài)接觸性能和疏水性不斷下降。

通過三維光學(xué)輪廓儀探究了激光掃描速度對(duì)基底表面粗糙度和表面輪廓尺寸的影響，如圖4所示。結(jié)果表明，隨著掃描速度的增加，表面粗糙度呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。另外，未加工表面的粗糙度最小，基底表面的微納凸起結(jié)構(gòu)的深度逐漸減小，微納凸起之間的間隔逐漸增加。當(dāng)掃描速度為200 mm/s時(shí)，凸起深度和凸起間隔分別約為28、40 μm。當(dāng)掃描速度達(dá)到8 000 mm/s時(shí)，凸起深度和凸起間隔分別約為11.6、89 μm，在未加工表面上凸起的深度和凸起間隔都小于1 μm。基于納秒激光的脈沖特性，會(huì)存在光斑的重復(fù)率，隨著掃描速度的增加，光斑的重復(fù)率下降。一方面，導(dǎo)致微納結(jié)構(gòu)的數(shù)量減少，微納結(jié)構(gòu)在垂直于激光路徑方向的間距增加；另一方面意味著單位面積材料吸收的能量降低，會(huì)有更少的材料達(dá)到材料去除閾值，進(jìn)而導(dǎo)致微納結(jié)構(gòu)的深度降低。

圖2 不同掃描速度下基底表面形貌的SEM圖像

圖3 激光掃描速度對(duì)表面潤(rùn)濕性的影響

圖4 在不同激光掃描速度下加工基底的表面粗糙度和表面輪廓尺寸

表面潤(rùn)濕性不僅受到表面形貌的影響，還受到表面化學(xué)成分的影響。對(duì)不同激光掃描速度下加工的基底表面化學(xué)成分進(jìn)行了EDS能譜分析，值得注意的是，隨著掃描速度的增加，基底表面的O和F元素的含量逐漸下降，如圖5和圖6所示。隨著掃描速度的增加，光斑重復(fù)率降低，這意味著單位面積材料吸收的能量降低，導(dǎo)致燒蝕引起的氧化反應(yīng)減弱，氧化物不斷減少，使得O的含量不斷下降，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)從11.2%降至7.7%。由于金屬氧化物本身為親液性[8]，氧化物會(huì)對(duì)氟化液中的非極性有機(jī)物（含氟）進(jìn)行吸附[28-29]，進(jìn)而降低表面能，形成疏水表面。隨著掃描速度的增加，基底表面的氧化物逐漸減少，表面吸附能力減弱，F(xiàn)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從200 mm/s時(shí)的17.6%減至8 000 mm/s時(shí)的10.6%，導(dǎo)致基底表面疏水性降低（從150°左右降至107°左右）。此外，未經(jīng)激光加工表面的氧化物最少（4.8%），表面吸附能力最弱，導(dǎo)致氟的含量最低（質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%），疏水性最差（約為91°）。

圖5 在不同激光掃描速度下加工的基底表面O元素和F元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

2.2 輸運(yùn)性能測(cè)試

基于激光掃描速度對(duì)基底表面潤(rùn)濕性的影響規(guī)律，這里制備了基于不同梯度疏水基底的箭形圖案化表面，以探究潤(rùn)濕梯度對(duì)液滴輸運(yùn)性能的影響。箭形圖案由長(zhǎng)度2 mm的楔形箭頭和長(zhǎng)度70 mm的矩形箭桿組成，其中楔形箭頭會(huì)產(chǎn)生拉普拉斯壓差，可為液滴提供初速度。矩形箭桿可為液滴提供運(yùn)動(dòng)軌道，箭桿兩側(cè)由14個(gè)不同的疏水部分無縫連接而成，該基底的每個(gè)單獨(dú)部分內(nèi)部的潤(rùn)濕性均勻。隨著疏水性的下降，基底表面的接觸角隨著的增大而離散下降。液滴在箭桿區(qū)域不僅會(huì)接觸親水圖案，而且會(huì)部分接觸疏水性漸變的基底，因而由梯度疏水基底產(chǎn)生的潤(rùn)濕梯度力會(huì)進(jìn)一步影響液滴的輸運(yùn)性能。針對(duì)具有潤(rùn)濕梯度的基底，基底的平均潤(rùn)濕梯度（）直接影響潤(rùn)濕梯度力（W），W的計(jì)算見式（1）[23]。文中制備了4種具有不同平均潤(rùn)濕梯度的基于梯度疏水基底的箭形圖案化表面，根據(jù)疏水性下降幅度的不同，4種表面的平均潤(rùn)濕梯度分別為0、0.28、0.38、0.52 (°)/mm，這里取箭桿的P1～P13部分為平均潤(rùn)濕梯度的研究對(duì)象。

圖6 在不同激光掃描速度下基底表面的EDS能譜圖

在進(jìn)行自輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)前，預(yù)先潤(rùn)濕親水圖案，可以消除毛細(xì)管力對(duì)自傳輸?shù)挠绊?。這里重點(diǎn)研究梯度疏水基底對(duì)圖案輸運(yùn)性能的影響，箭頭僅為了提供初速度，且箭頭附近的潤(rùn)濕性不會(huì)變化，因此以箭頭和箭桿的連接處為的起點(diǎn)，位移和速度的測(cè)量均以液滴在箭桿上的運(yùn)動(dòng)過程為研究對(duì)象。實(shí)驗(yàn)通過在起始端注入體積為25 uL的液滴，用高速攝像機(jī)監(jiān)測(cè)其運(yùn)動(dòng)過程，液滴在分別為0.38、0 (°)/mm的表面上的輸運(yùn)過程如圖7a～b所示。如圖7c所示，隨著平均潤(rùn)濕梯度的增加，液滴的最遠(yuǎn)輸運(yùn)距離max呈先升高后下降的趨勢(shì)，液滴在為0.38、0 (°)/mm的表面上的max分別約為61、46 mm，這是4種表面中的最大值和最小值，基于梯度疏水基底的箭形圖案化表面相較于均勻疏水基底，提高了34%，表明梯度疏水基底可以明顯提高液滴的輸運(yùn)距離。液滴在0.38 (°)/mm時(shí)的平均輸運(yùn)速度可達(dá)到60 mm/s左右。如圖7d所示，在液滴運(yùn)動(dòng)至5 mm處時(shí)，基于相同的構(gòu)造及單楔形的驅(qū)動(dòng)方式，液滴在不同表面上的輸運(yùn)速度基本相同；液滴在所有梯度潤(rùn)濕性箭形圖案化表面上的速度明顯高于無潤(rùn)濕梯度表面，表明潤(rùn)濕梯度起到了增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)力的作用，幫助液滴克服了阻力，使得液滴的速度下降得更慢。隨著的增大，液滴在0.38 (°)/mm的圖案化表面上的輸運(yùn)速度的優(yōu)勢(shì)越大。

值得注意的是，平均潤(rùn)濕梯度的不斷增加會(huì)反過來限制液滴的輸運(yùn)距離。這是因?yàn)樘荻仁杷渍w的動(dòng)態(tài)接觸性能也在不斷下降，導(dǎo)致出現(xiàn)較強(qiáng)的滯后效應(yīng)，反過來阻礙了液滴的運(yùn)動(dòng)[30]。固體表面的動(dòng)態(tài)接觸性能可由滾動(dòng)角來衡量，較大的滾動(dòng)角意味著液滴在表面運(yùn)動(dòng)較困難，表明具有較小的動(dòng)態(tài)接觸性能。如圖8a所示，較大的平均潤(rùn)濕梯度意味著基底表面接觸角沿方向的下降幅度較大。針對(duì)激光加工表面，接觸角的下降幅度較大，表明表面動(dòng)態(tài)接觸性能下降得較快，隨著的增加，液滴在具有較大平均潤(rùn)濕梯度的基底上的動(dòng)態(tài)接觸狀態(tài)會(huì)更快由滾動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)為釘扎狀態(tài)，基底所受的整體滯后效應(yīng)更大，如圖8b所示。針對(duì)0.38 (°)/mm的基于梯度疏水基底的箭形圖案化表面，在保證一定潤(rùn)濕梯度的前提下，同時(shí)表面的整體滯后效應(yīng)并不嚴(yán)重，因而實(shí)現(xiàn)了最佳的輸運(yùn)效果。

2.3 輸運(yùn)機(jī)理分析

基于梯度疏水基底的箭形圖案化表面主要分為箭頭區(qū)域和箭桿區(qū)域，這里對(duì)液滴運(yùn)動(dòng)至不同位置的受力情況進(jìn)行了分析。在箭頭處，液滴受到由楔形軌道產(chǎn)生的拉普拉斯力的驅(qū)動(dòng)，進(jìn)而使液滴獲得了一個(gè)較大的初速度，拉普拉斯力（L）的計(jì)算見式（2）[31]。液滴在楔形軌道上受到接觸線上表面張力的作用，接觸線主要分為楔形軌道、液滴前端和液滴尾部。由于楔形軌道的存在使得液滴所受的表面張力不平衡，進(jìn)而出現(xiàn)拉普拉斯力，它將克服滯后阻力，推動(dòng)液滴向前運(yùn)動(dòng)，如圖9a所示。

式中：S(x)為液滴的橫截面積；w(x)為親水圖案的寬度；θ(x)為液滴沿疏水性和親水性區(qū)域之間邊界的接觸角。

圖8 不同疏水梯度基底下箭形圖案化表面不同位置的潤(rùn)濕性能

當(dāng)液滴運(yùn)動(dòng)至箭桿處時(shí)，液滴主要受到潤(rùn)濕梯度力（W）的驅(qū)動(dòng)，克服了滯后阻力，向前運(yùn)動(dòng)，如圖9b所示。液滴不僅只接觸矩形軌道的親疏水邊界，還會(huì)部分接觸梯度疏水基底，即存在一部分接觸線處于梯度疏水基底上。當(dāng)液滴橫跨2個(gè)不同潤(rùn)濕性質(zhì)的表面時(shí)，由于液滴在2個(gè)表面的接觸角并不一致，導(dǎo)致表面張力不平衡，從而產(chǎn)生了潤(rùn)濕梯度力，液滴將由低潤(rùn)濕性表面向高潤(rùn)濕性表面遷移，不平衡力（dW）的計(jì)算見式（3）[32]。針對(duì)梯度疏水表面，基底由多個(gè)潤(rùn)濕性質(zhì)不同的表面連接組成，通過對(duì)液滴受到的dW進(jìn)行積分，可獲得W，計(jì)算見式（3）。

圖9 液滴所受驅(qū)動(dòng)力分析

式中：sg和sl分別為固–氣界面和固–液界面的表面張力；d為液滴截面的厚度；A、B分別表示低潤(rùn)濕性位置和高潤(rùn)濕性位置。

液滴在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中主要受到的阻力為滯后力（H），滯后力反映液滴在表面運(yùn)動(dòng)的難易程度，滯后力越小則液滴越容易運(yùn)動(dòng)，其計(jì)算見式（4）[31]。由式（5）[30]可知，接觸角滯后與滾動(dòng)角呈正相關(guān)，滾動(dòng)角越大，則滯后效應(yīng)越嚴(yán)重，液滴越難運(yùn)動(dòng)。

式中：a、r分別為前進(jìn)角和后退角；T為固–液–氣三相接觸線的長(zhǎng)度；為重力加速度；為滾動(dòng)角；、為液滴的質(zhì)量和寬度。

在輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)中，液滴在為0.38、0.52 (°)/mm的梯度疏水基底上的最遠(yuǎn)輸運(yùn)距離分別約為61、52 mm，潤(rùn)濕梯度的增加反而導(dǎo)致輸運(yùn)距離的下降。這是因?yàn)樵?0.52 (°)/mm的梯度疏水基底上滾動(dòng)角上升得最快，液滴在其上受到的整體滯后效應(yīng)最大，滯后效應(yīng)帶來的阻力超過了潤(rùn)濕梯度力增加所引起的驅(qū)動(dòng)作用，凈合力減小。

通過以上分析，在拉普拉斯力和潤(rùn)濕梯度力的作用下，液滴在梯度潤(rùn)濕性箭形圖案化表面實(shí)現(xiàn)了高性能輸運(yùn)。另外，由潤(rùn)濕梯度的增加引起的滯后效應(yīng)增大會(huì)反過來阻礙液滴的運(yùn)動(dòng)，因而在構(gòu)建梯度疏水基底時(shí)，應(yīng)當(dāng)在保證一定潤(rùn)濕梯度的前提下，盡量減小表面的滾動(dòng)角，以削弱滯后效應(yīng)。

3 結(jié)論

1）提出了一種適用于液滴輸運(yùn)的梯度潤(rùn)濕性箭形圖案化表面，通過梯度疏水基底來改善親水圖案的輸運(yùn)性能，為形狀梯度與潤(rùn)濕梯度組合輸運(yùn)液滴提供了新的思路。

2）研究了激光掃描速度對(duì)鋁合金基底表面潤(rùn)濕性的影響規(guī)律。當(dāng)激光掃描速度由200 mm/s增至 8 000 mm/s，基于表面形貌和表面化學(xué)成分的變化，基底表面靜態(tài)接觸角由150o左右減至107o左右。

3）驗(yàn)證了梯度疏水基底對(duì)提高箭形圖案化表面輸運(yùn)性能的作用。體積為25 μL的液滴在平均潤(rùn)濕梯度為0.38 (°)/mm的基于梯度疏水基底的箭形圖案化表面上，能夠以60 mm/s左右的平均速度，實(shí)現(xiàn)61 mm左右的輸運(yùn)距離，相較于均勻疏水基底提高了34%。

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Fabrication of Gradient Wetting Patterned Surface and Its Performance in Transportation

1,1,1,2,1,1,1,1,1,1,1,1*

(1. College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, Nanjing 210016, China; 2. Department of Mechanical Engineering, City University of Hong Kong, Hong Kong 999077, China)

Spontaneous transportation of liquid on wetting pattern has promising applications in water-harvesting devices, heat transfer equipment, etc. However, the technology is limited due to the expensive and complex processing techniques, and weak transportation capacities. An arrow-shaped patterned surface based on a gradient hydrophobic substrate is proposed to address the problems of short transportation distance and slow speed, which can effectively improve liquid transportation performance.

Pre-treatment, laser processing substrate, low surface energy modification treatment, and laser processing wetting pattern were sequentially performed on the aluminum alloy surface to obtain a patterned surface with good transportation performance. Firstly, the pretreated aluminum alloy plate was placed on a processed platform, and the gradient hydrophilic substrate was formed by processing the substrate with a grid-like structure and applying laser directly on aluminum alloy surfaces at a gradient scanning speed. Then, the dried processed surface was soaked in fluorinated liquid (FAS-17) for one hour to get low surface energy surfaces. Finally, an arrow-shaped hydrophilic patterned surface was processed on the gradient hydrophobic substrate by laser at a uniform scanning speed for droplet transportation.The processing equipment used in the process was a nanosecond laser with a wavelength of 1 064 nm, a pulse width of 200 ns, a maximum power of 20 W and a frequency from 20 kHz to 100 kHz. The effects of laser scanning speed on the microstructures and wettability of the aluminum alloy surface were investigated. The wettability, microstructures, chemical compositions, and droplet transportation performance of patterned surfaces were tested and analyzed with the help of analytical and testing equipment such as a contact angle meter, scanning electron microscope, 3D optical profiler, and industrial camera.

With the increase of laser scanning speed, the surface microstructure gradually shifted from "micro- and nano-layered structure" to "sub-micron structure", and the roughness of aluminum alloy surfaces gradually became smaller, which led to the decrease of static contact angle from 150° to 107°, and the dynamic contact state of shifting from rolling state to pinned state. In addition, with the increase of scanning speed, the mass fraction of O of surfaces decreased from 11.2% to 7.7%, and the mass fraction of F of surfaces decreased from 17.6% to 10.6%, which indicated the gradual decrease of surface oxide, resulting in the weakening of the adsorption capacity of F-containing organics, and thus the decrease of the hydrophobicity of surfaces. Further, the transportation performance of droplets on gradient wetting arrow-shaped patterned surfaces with different average wetting gradients was investigated, and the result showed that the droplet transportation distance on the arrow-shaped patterned surface based on gradient hydrophobic substrates could reach 61 mm, which was 34% higher than that of the uniform hydrophobic substrate.

The gradient scanning speed and low surface energy modification treatment can be used to fabricate gradient hydrophobic substrates easily and quickly. Compared with the arrow-shaped patterned surface based on a uniform hydrophobic substrate, the droplet transportation performance of the arrow-shaped patterned surface based on a gradient hydrophobic substrate is significantly improved. The spontaneous and directional high-performance transportation of droplets has promising applications in water collection devices and heat transfer devices.

nanosecond laser; gradient hydrophobic substrate; arrow-shaped patterned surface; transportation distance;wettability; directional transportation

2022-10-23；

2022-12-27

TQ022.1

A

1001-3660(2023)10-0295-09

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.10.025

2022-10-23；

2022-12-27

江蘇省自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金（BK20190066）；國(guó)家自然科學(xué)基金（51875285）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)（NE2020005）；霍英東教育基金會(huì)高校青年教師基金（20193218210002，171045）

The Natural Science Foundation of Jiangsu Province, China (BK20190066); The National Natural Science Foundation of China (51875285); The Fundamental Research Funds for the Central Universities (NE2020005); College Young Teachers Fund of the Fok Ying Tung Education Foundation (20193218210002, 171045)

劉前凱, 張杰, 孫鵬程, 等.梯度潤(rùn)濕性圖案化表面的制備及其輸運(yùn)性能研究[J]. 表面技術(shù), 2023, 52(10): 295-303.

LIU Qian-kai, ZHANG Jie, SUN Peng-cheng, et al. Fabrication of Gradient Wetting Patterned Surface and Its Performance in Transportation[J]. Surface Technology, 2023, 52(10): 295-303.

通信作者（Corresponding author）

責(zé)任編輯：彭颋