潤(rùn)濕性與固體材料表面的微觀幾何結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)組成密切相關(guān),是固體材料表面的一個(gè)重要特性體現(xiàn)。文章用實(shí)驗(yàn)和仿真的方式研究了雙面超親水和雙面超疏水表面的潤(rùn)濕特性。首先采用納秒激光鉆孔技術(shù)在厚度為35μm的鋁箔上加工微孔陣列,得到了雙面超親水鋁膜表面;然后將鋁膜在十七氟癸基三乙氧基硅烷（PFDTES）浸泡20h,鋁膜從雙面超親水表面改性為雙面超疏水表面;研究了改性前后鋁膜的液滴滲透情況。用COMSOL Multiphysics中的兩相流分析模塊研究了基于雙面超親水和雙面超疏水狀態(tài)下的微孔通道內(nèi)的水滲透過(guò)程,仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致,對(duì)實(shí)驗(yàn)起指導(dǎo)作用。 

【文章來(lái)源】：光學(xué)技術(shù). 2020,46(04)北大核心CSCD

【文章頁(yè)數(shù)】：6 頁(yè)

【部分圖文】：

納秒激光加工系統(tǒng)模型圖

實(shí)驗(yàn)中采用納秒激光鉆孔法制備了微孔陣列鋁膜,將鋁膜平鋪固定在玻璃片上進(jìn)行加工,為了更好的區(qū)分鋁膜的兩側(cè),將激光入射面稱之為底部,將相反面稱之為頂部。鋁箔表面微孔形貌通過(guò)場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡來(lái)表征。圖2顯示納秒激光在加工功率為20mw,間距150μm,加工數(shù)目3次鋁膜的底部的場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(JSM-6700F,JEOL,Tokyo,Japan;SEM)圖像,底部孔徑40.87μm,頂部孔徑34.47μm,可以看出微孔陣列在底層上呈現(xiàn)出規(guī)則的微孔陣列。4μL水在未加工平滑鋁箔表面的接觸角約為75.9°,如圖3(a)所示。用接觸角系統(tǒng)并結(jié)合視頻錄制,借助ImageJ軟件在加工后的鋁膜表面滴加4μL水滴3次獲得平均值,測(cè)得水的的接觸角。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明激光加工后的鋁箔底部與頂部表面均表現(xiàn)出超親水性,頂部接觸角為8°,如圖3(b)所示。隨后又用疏水性試劑配比為1.0%的十七氟癸基三乙氧基硅烷(PFDTES)[13]乙醇溶液中浸泡20h進(jìn)行修飾,待其從溶液中取出晾干后得到雙面超疏水鋁膜,測(cè)得其頂部接觸角約為153.6°,如圖3(c)所示。由于納秒激光鉆孔燒蝕鋁箔,表面會(huì)附著其濺射的粗糙結(jié)構(gòu)顆粒,經(jīng)過(guò)化學(xué)改性處理降低材料的表面能,從而具備超疏水的特性。

4μL水在未加工平滑鋁箔表面的接觸角約為75.9°,如圖3(a)所示。用接觸角系統(tǒng)并結(jié)合視頻錄制,借助ImageJ軟件在加工后的鋁膜表面滴加4μL水滴3次獲得平均值,測(cè)得水的的接觸角。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明激光加工后的鋁箔底部與頂部表面均表現(xiàn)出超親水性,頂部接觸角為8°,如圖3(b)所示。隨后又用疏水性試劑配比為1.0%的十七氟癸基三乙氧基硅烷(PFDTES)[13]乙醇溶液中浸泡20h進(jìn)行修飾,待其從溶液中取出晾干后得到雙面超疏水鋁膜,測(cè)得其頂部接觸角約為153.6°,如圖3(c)所示。由于納秒激光鉆孔燒蝕鋁箔,表面會(huì)附著其濺射的粗糙結(jié)構(gòu)顆粒,經(jīng)過(guò)化學(xué)改性處理降低材料的表面能,從而具備超疏水的特性。實(shí)驗(yàn)中對(duì)兩種不同潤(rùn)濕性的鋁膜在測(cè)其接觸角后進(jìn)行了液滴滲透實(shí)驗(yàn),將鋁膜頂部置于上層。從側(cè)面角度分析雙面超親水鋁膜的液滴滲透動(dòng)態(tài)過(guò)程。首先將雙面超親水的鋁膜平整固定,在其上方擠壓注射器中的水。剛開(kāi)始液滴滴在鋁膜上,由于膜表面的超親水性,液滴呈鋪展?fàn)顟B(tài),被表面微結(jié)構(gòu)和微孔陣列所捕獲,鋁膜上表面將形成一層水膜,與鋁膜下表面相通,液滴迅速被膜完全吸收。隨著液滴的持續(xù)注入,鋁膜吸收的液滴由于受到重力的影響,逐漸向下表面滲透,圖4(b)～(h)狀態(tài)液滴呈向下的凸面球冠狀。當(dāng)越來(lái)越多的液滴注入鋁膜的上表面,液滴向下凸起越明顯。最終當(dāng)液滴重力大于液滴與鋁膜下表面間的粘附力(表面能和表面張力)時(shí), 液滴以一個(gè)大的凸面球冠狀脫離鋁膜下表面。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明雙面超親水的鋁膜液滴可以從頂部滲透到底部,實(shí)現(xiàn)了雙面超親水鋁膜的液滴滲透過(guò)程,如圖4所示。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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