亲水性微观粗糙表面润湿状态转变性能研究.pdf

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1、物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．62，No．20(2013)206201亲水性微观粗糙表面润湿状态转变性能研究米刘思思张朝辉干何建国周杰尹恒洋(北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京IOO~)(2013年5)~23日收到；2013年7n11日收到修改稿)以亲水性微观粗糙表面上不同几何形貌及分布的微柱阵列为对象，讨论了液滴在亲水性粗糙表面上的润湿过程以及润湿状态的转变阶段．从能量角度分别考察了微观粗糙结构几何形貌及分布、微柱几何参数、固体表面亲水性、接触角滞后作用等因素对液滴润湿状态转变的影响规

2、律．研究发现：在亲水粗糙表面，正方形微柱呈正六边形阵列分布时，液滴更容易形成稳定的Cassie状态，或者液滴仅发生Cassie状态向中间浸润状态的转变；与此同时，减小微柱间距、增大方柱宽度或圆柱直径、增大微柱高度、增强固体表面的亲水性将有利于液滴处于稳定的Cassie状态。或阻止润湿状态向伪一Wenzel或Wenzel状态转变；然而，当液滴处于Cassie状态时，较小的固．液界面面积分数或减弱固体表面亲水性能均有利于增大液滴的表观接触角，因此在亲水表面设计粗糙结构时应综合考虑润湿状态稳定性和较大表观接触角

3、两方面因素；此外，接触角滞后作用对于液滴状态的稳定性以及疏水性能的实现具有相反作用的影响．研究结果为液滴在亲水表面获得稳定Cassie状态的粗糙结构设计方法提供了理论依据．关键词：亲水表面，微观粗糙结构，表面自由能，润湿状态转变PACS：62．20．Qp，68．08．Bc，68．35．Md，81．16．RfDOI：10．7498／aps．62．206201截留空气，使得液滴底面形成液．固和液一气复合界面．液滴处于Wenzel状态时：其与固体表面间黏1弓J言附作用较强，表现出较大的接触角滞后现象；处于受到自

4、然界植物叶片表面超疏水性能的启发，Cassie状态时，接触角滞后作用极小，液滴可以轻易人工超疏水表面受到了广泛关注_1I2j．由于液滴在从固体表面滚落L12_．因此，为了让固体表面具有超超疏水表面的表观接触角(contactangle)大于150。。疏水性能，应使液滴处于Cassie状态．然而，由于固而接触角滞后(contactanglehysteresis)小于5。，因体表面的粗糙结构特征、物理化学特性以及外部此在自清洁表面【3】、无损液滴传输_4J、减阻[51、激励因素的影响，液滴容易从Cassie状

5、态向Wenzel微，纳机电系统中低黏着功能表面【6]等领域具有良状态发生不可逆的转变，固体表面也会因此而丧失好的应用前景．人工超疏水表面常通过在疏水表面超疏水性能以及相应的特殊功能．因此，加强Cassie(接触角90。≤0≤180。)加工粗糙结构，或在粗糙状态的稳定性，避免润湿状态的转变是固体表面保结构上修饰疏水物质来制备[7，81．然而，有研究证持稳定超疏水性能的必要条件[13】．粗糙固体表面明通过改变粗糙结构几何形貌或参数，亲水性(接上液滴由Cassie状态向Wenzel状态转变的方式分触角0。≤0<

6、90。)材料制备的粗糙表面也可实现为两种【l4j，分别为“脱附”(de。pinning)现象和“下超疏水性能[9]．由此看来粗糙结构特性对超疏水表沉”(sagging)现象．当液滴处于Cassie状态时，液．面制备起到关键作用．在粗糙固体表面，液滴的接气界面悬挂在粗糙结构之间，此时粗糙结构顶端边触状态将决定表面的润湿特性，基本的接触状态包缘对界面有钉附作用．当外界作用力克服液滴内部括：1)Wenzel状态【l0J，此时液滴完全浸润粗糙凹临界压力时，界面将挣脱粗糙结构边缘，开始沿侧槽；2)Cassie状态[

7、1lj，此时液滴与粗糙凹槽间存在壁向下方的粗糙凹槽中移动，从而完全润湿固体表中央高校基本科研业务费(批准号：M12JB00050，M13JB00240)资助的课题．十通讯作者．E-mail：zhhzhang@bjtu．edu．ca⑥2013中国物理学会ChinesePhysicalSocietyttp：／／wulixb．iphu．0c．c佗206201．177物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．62，No．20(2013)206201液滴处于Cassie状态和中间浸润状态时，均具时的滞后能，=ICO

8、S0ad一COSl’其中，％为前有较大的表观接触角．而当液滴继续润湿粗糙结构，进接触角，。为后退接触角．润湿状态转变为伪一Wenzel状态或Wenzel状态时，表观接触角将急剧减小，并带来较大的接触角滞后，4理论计算与讨论这均是疏水或超疏水表面所不希望发生的转变．因此，本文重点讨论液滴处于Cassie状态或润湿状态液滴处于Cassie状态时，系统总能量为Gc；处仅从Cassie状态向中间浸润状态转变的情形．于中间浸润状态时，系