接触角测试技术及粗糙表面上接触角的滞后性Ⅱ:粗糙不锈钢表面接触角的滞后性

　　在沸腾和凝结诸多子过程中,比如非均相核化、气泡和液滴生长动力学、蒸汽冷凝、沸腾危机等,接触角和界面盼演着十分重要的角色.在光滑、化学均质、刚性、各向同性且无化学反应等相互作用的理想表面上,接触角满足Young方程[1].实际表面上接触角并非如Young方程所预示的取值唯一,而是在相对稳定的两个角度之间变化,这种现象被称为接触角滞后现象,上限为前进接触角θA,下限为后退接触角θR,二者差Δθ=θA-θR定义为接触角滞后性[2].接触角滞后现象的特点在于接触角取值的多值性和随机性.一方面存在多个力学上平衡的接触角,另一方面随液滴在固体表面上形成的方式不同,接触角可取后退接触角和前进接触角之间的任一值.大量研究将滞后现象归因为表面粗糙性[3-7]、化学多相性[8-13]和压稳的表面能量态[14-15],也称热力学滞后性.近年来的研究表明,滞后性随液相分子体积[17-18]、固相分子移动性[19-21]及液体分子渗透和表面膨胀[22-23]相关,称为动力学滞后性.文献[24-25]发现,后退接触角对固液接触时间具有很强的依赖性,从而推断滞后性还和液体吸附和液体滞留有关.

　　Wenzel[26]第一个研究表面粗糙性与接触角滞后性的关系,提出表面粗糙率r(液固真实接触面积和表观接触面积之比)的概念,修正了Young方程,即cosθ=rcosθY,但却不知道实际测得的前进角和后退角中哪一个满足该方程,依然不能解释滞后现象.在此基础上,Johnson、Dettre[4,8]、Neumann、Good[5,10]、Marmur[12]等人引入亚稳态概念,构建接触角滞后现象的理论框架.其把接触角的多值性归因于系统存在多个自由能局部最小的亚稳态,相应接触角取值必然分立,然而目前没有任何实验表明实际中观测到接触角不能在后退角和前进角之间连续取值,因此该理论缺乏足够依据.王和彭[27-28]提出滞后张力模型分析粗糙表面上接触角的滞后现象,认为接触角取值在后退角和前进角之间,系统自由能均相等,即系统处于随遇平衡,合理地解释了接触角的多值性和随机性.

　　本文根据躺滴法测试接触角的特点,结合CCD加立体显微镜与计算机成像技术,实验研究接触角滞后现象和表面粗糙度的关系,并和此前提出的滞后张力理论[27-28]对比,考虑到金属表面在沸腾和冷凝传热过程中的重要性,实验中选定粗糙不锈钢表面为固体壁面.结果表明随表面粗糙度增加,前进接触角增大,后退接触角减小,滞后性增加,且以90°的Young接触角为界,前进接触角和后退接触角随表面粗糙度的变化趋势不同,同时滞后性随液相表面张力的增加而增强.这些实验结果和观察与理论预测一致.

　　1　粗糙表面接触角滞后性测量

　　1.1　实验原理