基于液滴定向反弹的混合润湿性表面设计准则

液滴撞击固体表面的定向反弹在防结冰/起雾、自清洁等工程应用中具有重要意义。混合润湿性表面已被证明是一种有效的液滴操纵方法。本文对液滴撞击构筑有亲水条纹的疏水基底进行数值模拟研究,采用已验证的扩散界面法来捕获界面演化。首先,研究卫星液滴在撞击过程中的形成过程,通过分析液滴的垂直速度和横向速度,明确混合润湿性表面在液滴扩散、收缩和反弹阶段中的作用。然后,系统探究条纹宽度对液滴反弹形式和接触时间的影响,重点关注液膜演化和液滴弹跳过程中的动力学和能量传递机制。所得结果可以指导混合润湿性表面的优化设计和液滴定向回弹的控制。

冻雨环境下润湿性表面覆冰黏附力测试方法

覆冰黏附力是仿生超疏水材料防结冰工程应用的关键技术指标之一.根据覆冰样片降温过程中产生应变受冰层黏附力作用的原理,提出利用电阻应变片传感器于模拟冻雨结冰环境下在线检测覆冰黏附力的方案.应变片应变信号经数据采集、信号转换和软件处理,实现了应变传感电压实时监测与在线显示,结合受力分析对比计算出不同润湿性表面覆冰黏附力.该方法可实时表征低温结冰环境下不同润湿性表面的结/融冰行为及覆冰黏附力变化趋势.

润湿性表面液滴导向运动的研究进展

润湿性表面的液滴操控技术由于其在微流控系统设计、生物医学分析、淡水收集、喷墨打印以及换热器等领域具有广阔的应用而备受学者关注。详细介绍了液固接触和液滴运动的基本理论。综述了近年来国内外学者对于润湿性表面上液滴导向传输技术的研究进展,按不同的润湿性表面涉及的不同驱动力,归纳了液滴在润湿性梯度表面上受表面梯度驱动、在超疏水基底异性轨道表面上受重力驱动、在超疏水表面上受外场驱动的三种导向运动,着重阐述了从理论分析到实验实现润湿梯度表面驱动液滴的发展脉络、超疏水基底异性轨道表面的制备方法、液滴运输实验研究和受光、电、热、磁外场响应的不同液滴驱动传输机制,分析对比了各种液滴传输技术的优缺点。最后,提出了对润湿性表面上液滴做曲线运动过程中深入到离心力、表面张力等影响运输可控性的力学特性研究,展望了耦合多外场结合固体润湿性表面的优化设计,来控制多液滴独立导向运动的重要方向,并简要介绍了未来的应用前景。

基于二硫键的三重刺激响应可控润湿性表面的构建

合成了一种双-[3-(三甲氧基硅)丙基]-二硫化物(TPDS),并将其接枝到具有优异光热转化能力的聚多巴胺改性表面(PDA-Glass),获得了二硫键功能化表面(2S-PDA-Glass)。利用X射线光电子能谱仪对该表面进行了表征,采用水接触角测定仪表征了2S-PDA-Glass在980 nm近红外光、365 nm紫外光及50℃温度刺激下可控润湿性。结果表明,接枝于表面上的二硫键在3种刺激源下均可发生断裂,被还原成亲水的巯基,导致表面水接触角由78°下降到55°左右;而表面巯基被三氯化铁氧化后又重新形成二硫键,表面水接触角可再次升至78°左右,实现了多重刺激响应的可控润湿性。使得材料可以在不同的环境中自由选择刺激源,应用范围更为广泛。

工程金属材料极端润湿性表面制备及应用研究

极端润湿性表面是指与液体的接触角小于10°或大于150°的表面，它作为一种功能表面，在军事、通讯、石油开采等场合具有重要的应用价值。然而，迄今人们对表面微观结构影响表面润湿性的规律及其机制的了解仍非常有限，对极端润湿性表面制备方法的研究还处于探索阶段，且现有制备方法在安全、环保、效率等方面还存在诸多问题，亟需研制适合产业化的工程金属材料表面微观结构及极端润湿性表面的制各方法。在分析润湿性相关理论及工程金属材料极端润湿性表面研究现状的基础上，论文首先提出了在工程金属材料上构建和调控微／纳米微观结构基底，进而制备超亲水和超疏水极端润湿性表面的新方法；基于化学溶解与化学沉积、电化学阳极溶解与氧化等相关理论，

QCM-D技术在不同润湿性表面蛋白吸附研究中的应用

目的:利用石英晶体微平衡-分散(QCM-D)技术研究白蛋白在高度亲水和高度疏水表面的吸附情况。方法:利用等离子聚合技术在8片圆形石英传感器上形成六甲基二硅氧烷薄膜聚合体薄膜,将4片上述试样采用低温氧等离子体轰击80 s,这两种表面分别代表高度疏水及高度亲水表面。将处理后的两种传感器装入QCM-D检测仪,将400 mg/L的牛血白蛋白溶液引入传感检测室,观察共振频率和离散因子随时间的变化,计算出蛋白的吸附量。结果:白蛋白在两种表面的吸附主要在早期10 s中完成,此后吸附变慢,在30 min左右达到吸附-离散平衡,30 min时白蛋白在高度疏水表面的平均吸附量为294.6 ng/cm2,而在高度亲水表面平均吸附量为235.1 g/cm2,两者有显著性差异。结论:QCM-D可以用来精确测定蛋白质在石英传感器表面的吸附,高度疏水性表面对白蛋白有较高的吸附能力。

水中油滴在不同润湿性表面上的铺展行为研究

通过高速显微实验与理论推导相结合的方式,从微观角度研究了水中油滴在光滑铜板基底的铺展行为;通过物理和化学修饰,实现了黄铜表面水下超亲油到超疏油的可控调节,观察了油滴浮升到修饰黄铜表面后铺展长度随时间变化的差异。与空气中液滴撞壁铺展不同,水中油滴的铺展需要同时考虑液滴铺展过程中周围流体对液滴铺展的黏性作用,其在基底表面的铺展过程十分复杂。采用能量守恒方法,得到了油滴在水中基底表面上的特征值之间的定量关系,建立了基于能量守恒方法的油滴在不同润湿性固体基底表面的铺展模型,用以指导新型油水分离设备的制备。

长春应化所在特殊润湿性表面的制备方面取得新进展

润湿性是固体材料表面的基本性质，表面润湿性的调控对于材料在生物医用、仿生、涂料、润滑、液体输送、自清洁等许多方面的应用具有重要意义．因此关于超疏水、超疏油、超双疏、超亲水等各种极端润湿特性表面的研究近年来得到了广泛的关注，成为材料科学领域的一个热点。

不同清洁方法对高透氧化锆粘接强度和表面润湿性的影响

目的:研究不同清洁方法对唾液污染的高透氧化锆与自粘接树脂水门汀间剪切粘接强度和表面润湿性的影响。方法:制备80个高透氧化锆试件,随机分为5组(n=16),即对照组(无污染处理)、75%乙醇组、喷砂组、清洁剂组和大气压冷等离子体处理组等。测量表面接触角,测试剪切粘接强度,观察断裂模式。采用SPSS 26.0软件包对数据进行统计学分析。结果:大气压冷等离子体组的接触角最小(P<0.05);喷砂组、清洁剂组及大气压冷等离子体组的剪切粘接强度与对照组相比,无统计学差异(P>0.05),但均显著大于75%乙醇组(P<0.05);大气压冷等离子体组混合断裂模式增多。结论:喷砂、清洁剂及大气压冷等离子体清洁唾液污染的高透氧化锆,可获得与未被唾液污染前相当的粘接强度;大气压冷等离子体可显著提高高透氧化锆的表面润湿性。

表面润湿性对球体斜射入水过程的影响研究

针对球体表面润湿性对倾斜入水空泡演化过程及球体动力特性的影响开展研究,以便能够进一步理解润湿性对入水过程的影响并且能够为多种情况下的入水现象提供理论依据.基于球体入水过程空泡形态观察、采集与测量实验平台,分析了亲水性和疏水性球体入水过程中入水喷溅和空泡的演变规律,并深入讨论了不同速度下球体表面润湿性对球体入水过程中动力特性的影响.研究表明,不同表面润湿性球体在入水过程中的喷溅及入水空泡演化与动力特性存在明显区别.在相同入水速度下,亲水性球体的三相接触点远高于疏水性球体,而喷溅的高度却低于疏水性球体,但该差异随入水速度的增加反而减小.随着入水速度的增大,亲水性球体依次经历了无空泡、浅闭合和面闭合3种闭合方式,而疏水性球体先后只出现了深闭合和面闭合两种.但是,随着入水速度的增加,球体表面润湿性对空泡演化过程的影响逐渐减弱,当速度增加到11.25 m/s时,二者不存在区别.同时发现,在入水过程中,在相同速度下生成入水空泡较无入水空泡其总流动阻力系数降低49.94%;亲水性球体生成空泡体积更小,空泡带来的附加质量力也更小,减阻效果更好.

材料表面润湿性对超微量胶液分配及封装效果的影响

为了在微纳元件的封装中实现pL级超微量胶液的分配,根据不同材料表面具有不同表面润湿性的性质,提出了一种微纳量级的点胶方法。首先,使用自主搭建的超微量点胶系统进行pL级胶液分配实验,该系统点样的平均体积误差≤±1.1%,转移液滴的最小体积约为19.6 pL;然后,通过改变表面润湿性的单因素实验分析接触角对胶液转移量的影响,实验结果表明,接触角可以直观反映材料表面的润湿程度,即接触角越小,表面润湿性越好,转移液滴体积越大;最后,根据接触角与转移液滴体积的实验数据进行非线性曲线拟合,推导出了转移液滴体积预测公式,利用该公式预测的转移液滴体积与实测体积之间的平均差异率为2.32%。

2种农药助剂对3种农药药液在藜麦叶片表面润湿性能的影响

利用光学接触角测量仪和Owens-Wendt-Rabel&Kaelble法测定藜麦近分支端和分支顶端叶片的表面自由能,并研究2种农药助剂Silwet L-77和Triton X-100对3种农药药液在藜麦叶片表面润湿性能的影响。结果表明,藜麦分支顶端叶片的表面自由能低于近分支端叶片;分支顶端叶片远轴面盐囊的存在进一步降低其表面自由能,与近轴面相比更疏水。分支顶端叶片近轴面的表面自由能为25.37 mJ/m^(2),远轴面为21.89 mJ/m^(2),并以此建立藜麦分支顶端叶片表面润湿性包络图。Silwet L-77在其临界胶束浓度(1.0×10^(-3) g/mL)下使3种农药药液在藜麦分支顶端叶片的接触角降至30°~40°,与未添加相比,农药药液的润湿效果得到显著改善,且其性能优于临界胶束浓度下的Triton X-100。

外电场作用下纳米结构表面润湿转变机理研究

采用分子动力学模拟方法,研究了外电场作用下液膜在带有纳米凹槽的疏水表面处由Cassie态向Wenzel态的润湿态转变过程,并分析了其转变机理。结果表明,润湿状态转变所需时长并不随着电场强度的增大而降低,而是存在一个促进润湿状态转变的最佳电场强度。基于电场作用下的液滴润湿角及液柱极化应力的计算分析表明,一方面外电场可以增强表面润湿性,有利于Cassie态向Wenzel态的润湿态转变,另一方面,液膜受电场极化的影响而沿电场方向伸长,从而减缓了液膜向纳米凹槽的渗入。因此,随着电场强度的增大,液膜润湿状态转变时长呈现先减小后增大的趋势。本研究揭示了外电场作用下纳米结构表面的润湿态转变的机理,有助于深入理解微纳米结构表面的电润湿现象。

旋带掩模电解织构化圆柱表面及其润湿性分析

在圆柱面工件上高效、低成本地创制功能化极端润湿性表面仍面临重大技术挑战。对此提出旋带掩模电解织构技术。该技术直接选用市售带状柔性电绝缘多孔高分子编织布为活动掩模,以中性盐Na NO3溶液为电解液,基于旋带电解印制方式对金属圆柱表面进行织构化处理。介绍其工作原理,分析圆柱表面微织构形貌与几何廓形的演化过程,试验探究极间电压、旋带速度、加工次数等对表面织构特征的影响,评测氟化后的不同微结构特征的织构化表面的润湿性。结果表明:圆柱表面织构特征显著受加工次数的影响,随加工次数的增加,圆柱表面经历“反复复制”掩模印制阵列凹凸微结构、阵列凹凸微结构叠错-细化、微纳米分级结构分级化等表面微织构化演化过程;用时仅需249 s制备的外径49 cm、长50 cm的SUS304圆柱面(氟化后)微-纳米分级结构表面对水/甘油/十六烷的接触角分别为160.4°、158.5°、153.6°、滚动角分别为2.1°、5.6°、8.6°;呈现优异的超双疏极端润湿性且机械耐久性好。旋带掩模电解织构技术在圆柱面工件制取机械耐久性极端润湿性功能表面方面呈现高效、低成本、便于实施等优势。

硅酸钠改性对杨木力学性能及表面润湿性的影响

优异的力学性能和表面润湿性能可以在木材后续加工使用过程中展现出良好的性能,从而提高木材在家居建材、室内装饰用材等方面的经济价值。为了更好的探究无机盐(硅酸钠)改性对杨木力学性能和表面润湿性的影响,以水溶性的硅酸钠为浸渍改性液体,采用真空加压法对杨木进行改性,通过力学测试仪器和接触角测量仪对杨木的力学性能及表面润湿性进行测定。结果表明改性处理提高了杨木的力学性能和表面润湿性能,相比于未改性材,改性材顺纹抗压强度提高了76.19%,端面的硬度、弦切面的硬度、径切面的硬度分别提高了82.22%、55.05%、55.96%,并且改性处理使得木材的耐磨性得到明显改善,改性材表面的润湿性优于未改性材。通过扫描电镜和红外光谱分析发现,硅酸钠不仅以物理的形式填充于木材内部,还形成了化学键结合,产生了大量的亲水基团,致使木材表面润湿性提高。

微槽结构对前刀面润湿性能影响及参数优化

在刀具前刀面合理置入微槽织构可以改善刀具表面润湿性。为探究微槽槽宽、间距以及槽深对刀具表面润湿性能的影响,基于Wenzel理论,建立微槽表面液滴润湿数值模型,分析表观接触角随微槽结构参数变化的趋势,并通过COMSOL软件进行接触角数值模拟。结果表明,随着微槽结构参数的变化,液滴的润湿呈现Wenzel状态和Wenzel与Cassie的复合状态,对于Wenzel状态的微槽结构参数,表观接触角随着槽宽和间距的减小而减小,随着槽深的增大而减小;并且在槽宽为30μm,间距40μm,槽深70μm时,表观接触角最小,为54.4°,相对于本征接触角,降低了22%。

激光诱导等离子体加工蓝宝石微结构及其润湿性

激光诱导等离子体刻蚀技术在蓝宝石表面微结构制作方面具有独特的优势。通过控制变量法研究了激光能量密度、靶材和蓝宝石之间的距离和扫描速度对激光诱导等离子体加工蓝宝石微槽的微观形貌和几何尺寸的影响规律。通过正交试验研究了激光诱导等离子体工艺参数对蓝宝石表面微结构接触角的影响,发现扫描线间距对接触角的影响最大,靶材和蓝宝石之间的距离和激光能量密度次之,扫描速度的影响最小。当激光能量密度为6.3 J/cm^(2),扫描线间距为200μm,靶材和蓝宝石之间的距离为150μm,扫描速度为10 mm/s时,蓝宝石表面微结构的接触角为136°,表现出良好的疏水性;当激光能量密度为7.4 J/cm^(2),扫描线间距为50μm,靶材和蓝宝石之间的距离为100μm,扫描速度为5 mm/s时,蓝宝石表面微结构的接触角为29°,具有较好的亲水性,并且长时间放置后表面接触角基本保持不变。通过扫描电镜观察发现,蓝宝石表面的微结构上分布着许多纳米颗粒,这些微纳结构共同影响蓝宝石的润湿性。

预处理对马尾松防腐材表面粗糙度和润湿性的影响

预处理方法是影响木材表面性能的重要因素,为此探讨了不同预处理方法对防腐材表面粗糙度和表面润湿性的影响。以马尾松木材为研究对象,采用工业碱性脱脂剂,水溶性环保型季铵铜为防腐剂,3种预处理方法(未处理-刨削、防腐-刨削、脱脂-防腐-刨削)为变量因子,运用3D光学轮廓仪和视频光学接触角对不同预处理木材表面的粗糙度和接触角进行测量分析。结果表明,预处理方法对马尾松木材的表面粗糙度和润湿性有显著影响。经防腐处理后,马尾松木材表面的算术平均粗糙度增大1倍,表面对蒸馏水和间苯二酚-苯酚-甲醛树脂(RPF)的吸收速率降低,聚异氰酸酯(EPI)和聚氨酯(PU)在表面的初始接触角增大;防腐处理前增加脱脂处理工序,木材表面粗糙度值下降24.1%,表面对蒸馏水的吸收速率显著增加,PU对应的初始接触角减小、吸收速率增大,而EPI和RPF的初始接触角和吸收速率无明显变化。整体而言,防腐处理使马尾松木材表面粗糙度增大、润湿性降低,而脱脂-防腐-刨削处理所得马尾松木材表面的综合性能优于防腐-刨削处理。

常绿植物新、老叶片表面润湿性差异分析

陆生植物叶片表面的润湿性是植物对环境中降水因素进行长期适应的结果,因而具有重要的生态学意义。对于常绿植物叶片表面润湿性与叶龄之间的关系,目前尚缺乏充分的研究证据。该研究测量8种常见常绿植物的新叶(当年生叶)和老叶(往年生叶)叶片表面的接触角(CA)和单位面积最大持水量,通过对数据的统计分析探究叶片表面润湿性在新叶与老叶之间的差异。结果可知,随着叶龄的逐渐增加,常绿植物的叶片表面润湿性很可能会发生明显的变化,以至于在不同叶龄的叶片之间表面润湿性存在显著的差异;大多数常绿植物的新叶可能比老叶具有更强的疏水性。

混合润湿性图案化铜基表面冷凝换热性能研究

采用聚四氟乙烯纳米颗粒涂料在50 mm×100 mm铜基表面构造超疏水表面以及条纹图案混合润湿性表面。为探究条纹倾角对冷凝换热的影响,条纹与铜板宽度方向分别成90°与60°的混合润湿性表面被应用于实验中。实验结果表明,超疏水表面传热系数h_(dwc)与混合润湿性表面冷凝传热系数h_(hybrid)随换热温差ΔT_(sub)增大而增大。同时,h_(dwc)和h_(hybrid)与冷凝液的脱落频率存在强相关关系,脱落频率越高,h_(dwc)、h_(hybrid)越大。超疏水表面冷凝液脱落频率低,h_(dwc)在0~20 K的换热温差范围内始终低于膜状凝结。混合润湿性表面能有效强化超疏水表面的冷凝换热,条纹倾角为60°的表面在ΔT_(sub)为11.3 K时测得最高传热系数16.64 kW/(m^(2)·K),是超疏水表面传热系数的2.14倍;而条纹倾角为90°的表面在ΔT_(sub)为13.8 K时测得最高冷凝传热系数13.63 kW/(m^(2)·K),是超疏水表面传热系数的1.68倍。