表面粗糙度對(duì)混有熒光粒子的液滴蒸發(fā)過程及接觸角的影響

瀏覽次數(shù)：494　發(fā)布日期：2025-12-19　來源：本站　僅供參考，謝絕轉(zhuǎn)載，否則責(zé)任自負(fù)

（論文部分內(nèi)容摘抄）

如今，液滴已被應(yīng)用于打印機(jī)、微型泵等微流體領(lǐng)域，但是與液滴相關(guān)的眾多現(xiàn)象，如馬蘭格尼效應(yīng)、接觸角和蒸發(fā)過程等，過去的研究并不充分。本文詳細(xì)研究了接觸面的不同表面粗糙度對(duì)液滴蒸發(fā)過程及接觸角的影響，具體為通過采用粒子圖像測速技術(shù)，獲得了液滴中間平面的粒子圖像，計(jì)算了不同接觸面粗糙度條件下混有熒光粒子的液滴無量綱體積與接觸角隨時(shí)間的變化曲線。

液滴目前被廣泛地應(yīng)用在 DNA 分子顯像，自凈吸附材料及噴墨打印等微流體領(lǐng)域。然而，在與液滴微納米尺度相關(guān)的諸多現(xiàn)象上，如馬蘭格尼效應(yīng)、蒸發(fā)過程、液滴與固體表面的接觸角等方面的研究進(jìn)行的并不充分。液滴內(nèi)部的液體流動(dòng)對(duì)整體輸運(yùn)現(xiàn)象起著重要的作用，研究者們對(duì)此已經(jīng)達(dá)成了共識(shí)并進(jìn)行著大量的研究。在馬蘭戈尼效應(yīng)方面，實(shí)驗(yàn)者等人采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法研究了馬蘭戈尼效果和浮力對(duì)懸掛液滴的影響。懸掛著液滴的接觸面的溫度被突然增加或降低以研究瞬時(shí)的加熱和冷卻過程。他們對(duì)具有不同粘性的硅油的研究表明，馬蘭戈尼效果對(duì)液滴內(nèi)的速度和溫度分布影響較大。實(shí)驗(yàn)者等人通過理論和實(shí)驗(yàn)的方式研究了馬蘭戈尼熱流動(dòng)并建立了一套標(biāo)準(zhǔn)來界定它的影響，并發(fā)現(xiàn)回流的方向取決于接觸角與平板和液體熱傳導(dǎo)系數(shù)的比率兩個(gè)因素。

實(shí)驗(yàn)裝置：

在本項(xiàng)研究中，液滴的制備過程如下：首先將熒光粒子去離子，水和乙醇混合在試管內(nèi)，然后使用漩渦混合器將溶液混合攪拌，再使用超聲機(jī)振蕩溶液，最后將溶液密封并靜止，選取試管中部的清液加入至注射器，以備使用。

本項(xiàng)研究選用紅銅銅板 4 塊，其中3塊分別用砂紙單向打磨，另外1塊未經(jīng)打磨。在清洗制備好的銅板時(shí)，需要將銅板依次在丙酮、乙醇及去離子水中進(jìn)行超聲清洗。本項(xiàng)研究所用的實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示：首先，注射器產(chǎn)生液滴，并從實(shí)驗(yàn)銅板上方處滴落。實(shí)驗(yàn)板為紅銅板，且以導(dǎo)熱膠與恒溫水域裝置相連，水浴裝置用來調(diào)節(jié)銅板即液滴接觸面的溫度。激光器所發(fā)射激光，在經(jīng)過光學(xué)狹縫后形成了一個(gè)激光片光，激發(fā)液滴中的熒光粒子，并通過 CCD 照相機(jī)（德國Excelitas PCO公司的 pco.dimax）拍攝呈像。數(shù)字延遲發(fā)生器用以控制激光照明和照相機(jī)圖像采集的頻率和同步性。

本項(xiàng)研究采用粒子圖像測速技術(shù)，獲得了在四種接觸面粗糙度情況下的液滴粒子圖像，并通過分析粒子圖像，比較了不同接觸面溫度對(duì)液滴無量綱體積以及接觸角的影響。在實(shí)驗(yàn)過程中，周圍空氣的溫度為 22.5℃，氣壓為757mmHg，相對(duì)濕度為 72.0%。

圖表示液滴落到接觸面 3min 后，10 張瞬時(shí)液滴中間平面圖像的平均圖像（接觸面的溫度為 20.0°C）。將 10 幅圖像平均可以方便我們清晰的看到粒子的軌跡。由圖可知，液滴左右兩側(cè)出現(xiàn)漩渦，由粒子圖像僅為液滴的中間平面可知，在整個(gè)液滴內(nèi)部應(yīng)該形成了一個(gè)渦環(huán)。需要說明的是，在液滴底部出現(xiàn)的較明亮的局部區(qū)域?yàn)闊晒饬Ｗ拥某练e造成的。

本文通過采用粒子圖像測速技術(shù)，獲得了液滴中間平面的粒子圖像，計(jì)算了不同接觸面粗糙度條件下混有熒光粒子的液滴無量綱體積與接觸角隨時(shí)間的變化曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著液滴蒸發(fā)過程的進(jìn)行，液滴無量綱體積和接觸角都會(huì)減少，然而粗糙度的不同會(huì)對(duì)液滴無量綱體積和接觸角的減少速率產(chǎn)生很大的影響，這可能是由于液滴所處的不同潤濕狀態(tài)所引起的。

德國Excelitas PCO公司pco.dimax相機(jī)，具備高分辨率、高感光度、高幀率的優(yōu)點(diǎn)，將研究實(shí)驗(yàn)過程完美記錄，為實(shí)驗(yàn)提供強(qiáng)而有力的圖像數(shù)據(jù)支持。

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