基于状态转换的超疏水表面滑移特性研究方法

　　流体与表面作用是自然界和工程界最常见的最重要的一对作用,无论是机械系统的工作还是生物系统的运行,都离不开表面与流体的作用。液体与表面的相互作用是其中最为重要的一种,由于其与工程中管道和液体传输以及生物系统中的血液循环息息相关,得到了研究人员广泛的重视。探索液体在表面上的滑移特性即是这种研究的目标之一[1-3]。因为疏水性和超疏水性表面特殊的固-液作用特性,它成为研究人员的一个关注点,尤其在近十年来,从生物体表面如荷叶表面得到启示,许多研究人员运用各种材料和方法制备出许多超疏水表面[4-6]。一般的超疏水表面具有较小的滚落角,据此可以推断,其滑移特性应该也较好,目前有许多研究人员致力于超疏水表面滑移特性的研究。

　　目前,人们制备的超疏水表面主要有各种纳米结构和微米结构表面,通过一定的材料对表面进行处理,一般能得到接触角为160°以上的表面[4-6]。对超疏水表面的滑移特性的研究大致起源于1999年日本学者Watenabe[7]的研究,他测量了一组滑移特性较好的表面,对这些表面进行观察,发现它们都具有一定的微结构,从而认为这些表面的微结构对滑移特性起着重要的作用。后来,陆续有学者对微米结构超疏水表面和纳米结构表面进行滑移特性的表征[2-3,8-12]。在这些文献中,研究者多用PIV[2-3,8-9]方法、构造管道法[10-12]进行研究。但管道法制造困难,而且要求管道直径小而均匀,一般很难达到;运用PIV方法只能测量剪切速率较低的情况,而且测量结果还可能受到成像粒子的影响。

　　运用流变仪对滑移特性进行表征的方法是CH Choi[13-14]在2005年首先提出的,用这种方法测量方便快捷而且能够测量较大的剪切速率下的运行状况,是一种很有潜力的方法。但是,由于超疏水表面上大接触角带来的影响,计算得到的滑移特性并非真实的滑移特性。针对这一问题, L Bocquet[15]对CH Choi的文章进行了评述,驳斥他们得到良好滑移特性的结论。鉴于此,本文作者提出运用扭矩在剪切速率变化过程中的变化规律来刻画滑移特性的方法,去除接触角对滑移特性测量值的影响,真实地衡量出超疏水表面的良好滑移特性。

　　1　实验部分

　　1·1　实验原理

　　实验装置原理图如图1所示,夹具旋转后,通过夹具受到的扭矩来衡量表面的滑移特性。光滑表面和超疏水表面受到不同的扭矩很大程度上是由亲疏水引起的接触面积的不同导致的。根据Ou Jia[3]的PIV实验预测的结果,即使数十微米尺度下、凸起面积比较小的粗糙结构表面,其滑移也是有限的,对水来说,滑移长度在22μm以下。而根据CH Choi[14]的结论,纳米结构表面的滑移长度就达到了20μm,由于尺度的差异,这一结果很难令人信服。扭矩的差异大部分是来自于超疏水表面的大接触角导致的较小接触面积的作用,所以用扭矩的绝对差来衡量超疏水表面的滑移特性是不科学的。