基于压力法的微通道表面润湿性调控技术-李小磊.pdf

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1、第14卷第4期2016年7月纳米技术与精密工程Nanotechnology and Precision Engineering Vol.14 No.4Jul. 2016 DOI 10 13494/ j. npe. 20150097李小磊,马晓雯,张磊,等.基于压力法的微通道表面润湿性调控技术J.纳米技术与精密工程, 2016, 14(4): 237-245.Li Xiaolei, Ma Xiaowen, Zhang Lei, et al. Surface wettability control of micro channels based on pressure regulationJ. N

2、anotechnology and Precision Engi-neering, 2016,14(4): 237-245(in Chinese).基于压力法的微通道表面润湿性调控技术李小磊,马晓雯,张磊,张会臣(大连海事大学交通运输装备与海洋工程学院,大连116026)摘要:利用激光加工和自组装分子膜技术制备具有不同润湿性的微通道壁面,将其中具有微通孔的壁面粘接到带有气体容腔的调控通道内,通过调节气体容腔压力控制壁面处的气液接触状态,从而改变壁面的润湿性,利用动态接触角比值对壁面的润湿性进行表征,并结合数值计算方法对壁面润湿性调控机理进行了分析.结果表明,基于压力法能够快速改变壁面处气液接触

3、状态,实现润湿性的有效调控,静态接触角为122和131的壁面的实际润湿性实现了强疏水和弱疏水之间的可逆调控,静态接触角为143和155的壁面实现了超疏水和疏水之间的可逆调控,调控效果明显,重复性好.关键词:压力调控;润湿性可控表面;静态接触角;动态接触角中图分类号: O647 文献标志码: A 文章编号: 1672-6030(2016)04-0237-09收稿日期: 2016-03-18.基金项目:国家自然科学基金资助项目(51275064, 50975036).作者简介:李小磊(1988 ),男,博士研究生.通讯作者:张会臣,教授,hczhang dlmu. edu. cn.Surface

4、W ettability Control of Micro Channels Based on Pressure RegulationLi Xiaolei, Ma Xiaowen, Zhang Lei, Zhang Huichen(Transportation Equipments and Ocean Engineering College, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)Abstract: Walls with different wettability were prepared through laser manufac

5、turing and self-assembly.The walls with micro through-holes were spliced to be the left wall of controllable micro channels and ad-hered with a gas cavity. Through regulating the pressure in the gas cavity, the contact state of gas-liquidwas changed so that the wettability of the left wall was chang

6、ed. In addition, after acquiring the relation-ship between the bubbles dynamic contact angle(DCA) and the wettability, the ratio of the bubbles leftDCA to the right DCA was used to represent the wettability of the left wall. The control mechanism of wallwettablity was analyzed via computational flui

7、d dynamics and calculation. Results show that, based on thepressure regulation, the gas-liquid contact state of walls can be changed quickly, and the wettability ef-fectively controlled. The wettability of walls, whose static contact angles are 122 and 131 respectively,can be converted from strong h

8、ydrophobic to weak hydrophobic. The wettability of walls, whose staticcontact angles are 143 and 155 respectively, can be converted from super hydrophobic to hydrophobic.And both processes are reversible. The controllable effect of wettability is remarkable and the wholeprocess possesses good repeat

9、ability.Keywords: pressure regulation; wettability controllable surface; static contact angle; dynamic contact angle随着小型化设备的逐渐普及,微尺度流动在医学、化学反应以及检测分析等领域得到广泛应用1-2.微尺 238 纳米技术与精密工程第14卷第4期度下流体的运动特性与常规尺度下表现出来的特性有很大差别,壁面润湿性对流动起主导作用3-8.在微混合、微反应等微流体系统的应用场合,要求液体传输微通道壁面的润湿特性能够进行调控,以控制液体运动的动力学特性,实现混合均匀、快速反应等特定

10、要求.表面润湿性的调控主要包括两种途径,一种是对表面微结构的调控,即依靠外界环境的激励作用使固体表面的形貌发生可逆转变,从而使液滴在材料表面的状态发生变化.例如,Zhang等9-10利用机械拉伸的方法控制表面润湿性在疏水和超疏水间实现可逆变化;Miyauchi等11利用紫外线和可见光通过改变表面粗糙度对TiO2表面的润湿性进行可逆调控;Liu等12利用电场改变碳纳米管的排列方式,实现了表面在疏油和亲油间的转变.另一种是对表面自由能的调控,即在保持材料表面形貌的条件下,利用外界环境的激励作用定向改变材料表面的化学组成,从而改变表面自由能,使液滴在表面的接触角发生变化.如江雷课题组利用紫外照射和调

11、节温度的方法成功实现了ZnO纳米结构的薄膜在超疏水和超亲水之间的快速转变13-14,他们还利用热响应法对温敏性聚合物(聚异丙基丙烯酰胺)修饰硅基底表面进行了润湿性调控,可由超疏水转变为超亲水15;此外,Yang等16也通过改变表面聚合电解质的组分实现了超亲油和超疏油间的快速调控.表面润湿性的表征通常借助于液滴在表面的静态接触角,近年来也提出了一些新的方法,如Xue等17提出了一种测量前进和后退接触角的改进捕泡法,该方法误差更小,但只适合接触角在130以下的表面;Baek等18分别用捕泡法和液滴法对反渗透膜的亲水性进行了测量,发现对于反渗透膜,捕泡法的可靠性和可重复性更好,测量结果更加准确;Sa

12、kai等19和黄建业等20利用光反射现象来表征壁面的润湿性.然而,现有这些方法均不适用于微通道中壁面润湿性的表征.本文在不改变表面微结构和表面能的条件下,通过压力调节,改变液体与表面的接触状态,实现微通道壁面润湿性的调控.针对微通道的特定结构,提出采用空泡在微通道两侧壁面动态接触角(dynamic contactangle, DCA)的比值来评价壁面的润湿性,并结合数值计算对壁面润湿性的调控机理进行了分析.研究旨在为微流体系统的设计和实际应用提供技术支持.1实验部分1 1疏水表面制备疏水表面的制备包括两个步骤:首先,利用激光技术在铝基底上构造微结构;然后,在微结构上沉积或涂覆含有硅烷链的低表面

13、能物质.本文使用的基底材料为0 45 mm厚的铝片,将铝片切成40 mm 4 5 mm的矩形片,分成A、B、C、D、E、F 6组,然后分别按照表1进行处理,其中,FOTS为1H,1H,2H,2H-全氟十二烷基三氯硅烷,OTS为三氯十八硅烷,二者浓度均为97% ,购自北京百灵威科技有限公司.以F组表面为例,其具体处理过程为:首先利用武汉产LSY50F激光打标机在光滑清洁的铝片基底上构筑通孔阵列,其激光电流为16 0 A,激光打点时间为1 ms,通孔阵列的间隔为0 4 mm,通孔直径为0 1 mm,孔密度为2 5个/ mm.然后分别在丙酮、酒精和蒸馏水中超声清洗,高纯氮气吹干后对铝片进行羟基化处理

14、(紫外照射1 h),羟基化完成后对铝片进行FOTS自组装分子膜修饰,最后取出试样,再次进行清洗吹干,置于恒温箱内90 下保温30 min.表1各试样的处理方法Tab.1 Process mode of all specimens组别通孔孔阵通孔间隔/ mm低表面能物质A无无无B无无FOTSC有0 6 OTSD有0 4 OTSE有0 2 OTSF有0 4 FOTS1 2微通道构建微通道(micro channel,MC)的制备主要包括3个步骤.首先,在4 5 mm厚的有机玻璃基底上加工出如图1所示的通道主体.然后,利用胶粘的方法,在通道的右侧壁面粘贴A组铝片,在左侧壁面粘接其他润湿性不同的铝片.

15、最后,对通道进行封装.图1微通道示意Fig.1 Schematic of micro channel为了对壁面的润湿性进行压力调控,本文设计了一种带气体容腔的通道,即为调控通道(controllable 2016年7月李小磊等:基于压力法的微通道表面润湿性调控技术 239 channel,CC),如图2所示,通道的右侧壁面同样粘贴A组铝片,左侧壁面粘贴带微通孔的铝片,然后粘接上下两侧盖板,并在通道左侧依次粘接连接板、气体容腔和左侧盖板.气体容腔通过左侧壁面的微通孔孔阵与通道相连通.两种通道的横截面尺寸均为2 0 mm(宽) 4 5mm(深).图2调控通道示意Fig.2 Schematic of

16、 controllable channel1 3实验过程搭建如图3所示的实验系统,实验系统包括精密液体注射系统(定制,北京微纳光科仪器有限公司,中国)、压力表(YK-120B,西安云仪仪器有限公司,中国)、微通道、微量气体泵(CSP-100A,深圳市凯沃尔电子有限公司,中国)、高速摄影系统( CCD, Hot-Shot512SC,武汉中创联达科技有限公司,中国)和计算机.分别设定精密液体注射系统的注射速度v为1 mm/ s、2 mm/ s和3 mm/ s,对应的通道内流体入口流速分别为0 31 mm/ s、0 63 mm/ s、0 94 mm/ s,待液体流动稳定后,打开微量气体泵,其输出气体

17、流量Qg为250 mL/ h,液体介质为蒸馏水,气体介质为空气.待流动稳定后,利用CCD记录微通道内空泡的运动过程,其拍摄帧频设定为2 103 fps.处理后得到空泡在壁面处的DCA,其示意如图4所示.图3实验系统Fig.3 Experimental system图4 DCA示意Fig.4 Schematic of DCA拍摄完成后,将回路中的微通道换成调控通道,在相同实验条件下,同样利用CCD拍摄不同状态下调控通道中空泡的运动形状.调控通道的不同状态是通过压力调控实现的.初始状态下,在左侧壁面的润湿特性作用下,通道中的液体无法浸入气体容腔,此时左侧壁面的润湿状态为S1.完成拍摄后,开始对壁面

18、进行调控,利用压力调节装置使气体容腔内的气体压力降低p,使其低于通道内压力.在压力作用下,通道内液体进入左侧壁面的微通孔,继而流入气体容腔,对于左侧壁面而言,此时微通孔内充满液体,对应的润湿状态为S2.测试完成后,若需要壁面状态再次回到S1状态,只需再次控制压力调节装置增大气体容腔压力,其压力增大值需大于等于p,调控完成后,壁面状态由S2转变到S1.调控效果明显,响应速度快,且重复性好.1 4数值模拟数值模拟部分旨在分析不同润湿性壁面处DCA不同的原因.首先,采用FLUENT前处理软件GAMBIT对微通道内的流场进行建模和网格划分,共划分四边形网格41 222个.然后,对其流场特性进行数值模拟

19、,使用单精度模式和Laminar层流模型,运用目前最常用的涉及追踪运动界面的两相流模型VOF(volume offluid)求解Navier-Stokes方程和连续性方程,压力和温度的耦合方式采用Simple算法,压力离散方式为PRESTO!,动能项的离散方式采用二级迎风格式.2结果与讨论2 1通道壁面的静态接触角利用德国产EasyDrop型接触角测量仪进行表面静态水接触角测量,得到各组铝片对应的静态接触角(static contact angle,SCA),如表2所示. 240 纳米技术与精密工程第14卷第4期表2各试样表面SCATab.2 SCAs of all specimens sur

20、faces组别SCA/ ()图像A 47B 116C 122D 131E 143F 155在考虑壁面润湿性分布的前提下,微通道的左侧壁面选择B、C、D、E、F 5组铝片,分别命名为MC-B、MC-C、MC-D、MC-E和MC-F.对于调控通道,其左侧壁面需具有微通孔,因此选择C、D、E、F 4组铝片,分别命名为CC-C、CC-D、CC-E和CC-F.2 2空泡在两侧壁面DCA比与SCA的关系在气体流量Qg为250 mL/ h,液体注射速度v分别为1 mm/ s、2 mm/ s和3 mm/ s情况下,利用CCD拍摄空泡在不同微通道中的头部形状,其形状均类似于图4所示的形状,但其在不同壁面处的DC

21、A值不同.以MC-F通道为例,在v =1 mm/ s时,拍摄到空泡的头部形状如图5所示.图5 MC-F通道内的空泡头部形状Fig.5 Bubbles head shape in MC-F channel图5中空泡在左侧壁面处的DCA明显大于右侧壁面处,将图片导入Auto CAD软件,作出空泡头部曲线在左右两侧壁面处的切线,从而测得DCA,其结果分别为27和17.同样,可测得所有条件下不同通道中两侧壁面的DCA值,其结果如表3所示.表3各微通道两侧壁面处的DCATab.3 DCAs of two walls in micro channels ()v/(mm s -1)MC-B MC-C MC-

22、D MC-E MC-FL R L R L R L R L R1 10 8 9 7 25 18 27 18 27 172 7 7 12 11 24 20 19 15 28 203 5 5 8 8 27 25 24 22 26 23注:L表示左侧壁面,R表示右侧壁面.对表中数据进行分析后发现,所有条件下,左侧壁面处的DCA总是大于等于右侧壁面处.但各通道左右侧壁面处的DCA随流速的变化规律性不强,随着流速的增大,MC-B通道左右两侧DCA均减小,MC-C通道先增大后减小,而MC-D通道先减小后增大.另外,壁面DCA随着左侧壁面润湿性的变化也呈无规律性.分析其原因为:实验过程中,在液体和气体注入过程

23、中,难免存在压力或速度波动,导致各壁面处的DCA表现出上述无规律性.在考虑到右侧壁面均相同的条件后,本文引入空泡在两侧壁面处的动态接触角比DCA(DCA =左侧DCA/右侧DCA),以避免压力或速度波动带来的影响.对表3中数据进行计算,得到不同速度条件下各通道的DCA,其结果如图6所示,横坐标为左侧壁面的SCA大小.图6不同流速下各微通道的DCAFig.6 DCA of all micro channels with different flow velocities由图6可知,随着左侧壁面SCA的增大,即疏水性的增强,通道的DCA增大.同一流速下,DCA与SCA的对应关系近似为线性.随着流速

24、的增大,通道的 2016年7月李小磊等:基于压力法的微通道表面润湿性调控技术 241 DCA减小,可见,流速的增大会减弱通道两侧壁面润湿性差对DCA的影响.实验中,相同流速下,5组通道除左侧壁面的润湿性不同外,其余条件均相同,因此可以肯定,决定各通道DCA不同的因素为左侧壁面的润湿性.所以可以利用各通道的DCA来表征左侧壁面的润湿性,若两通道的DCA相等,则说明其左侧壁面的润湿性相同.这种方法适用于表征微通道壁面的实际润湿性,特别是涉及到一侧壁面润湿性可变的通道,因此本文选择借助通道DCA这一参数来评价调控前后的壁面实际润湿性.2 3壁面润湿性的调控所谓静态润湿性,即壁面所固有的润湿特性,通常

25、用SCA表示.而实际润湿性,即流体在流动过程中,壁面表现出的实际润湿特性,用表征静态接触角(repre-sentative static contact angle, RSCA)表示.在微通道中,决定壁面处流动状态的因素为其固有润湿性,此时壁面的实际润湿性即为其固有润湿性,即RSCA = SCA.而对于调控通道的左侧壁面,无论是处于S1状态还是S2状态,左侧壁面的实际润湿性均不等于其固有润湿性.为了确定S1和S2状态下壁面的RSCA,同样在相同实验条件下,对空泡在调控通道中的运动过程进行拍摄,得到不同通道的DCA.以v =2 mm/ s为例,当左侧壁面分别处于S1和S2状态时,调控通道CC-F

26、中空泡运动的头部形状如图7所示.图7 v =2 mm/ s时,CC-F通道的空泡头部形状Fig.7 Bubbles head shape in CC-F channel when v =2 mm/ s图7(a)中对应的左侧壁面润湿状态为S1,左右两侧的DCA分别为26和17;降低气体容腔压力p(p =7 78 kPa)后,其空泡形状发生改变,如图7(b)所示,左右两侧的DCA分别为31和27,对应的左侧壁面润湿状态为S2.两状态对应的DCA分别为1 529和1 148,可见S1状态下左侧壁面的实际润湿性要强于S2状态下.考虑到DCA与左侧壁面SCA之间存在如图6所示的对应关系,因此将此时调控通

27、道的DCA值映射到图6中2 mm/ s的曲线上,其结果如图8所示.图8调控通道的左侧壁面实际润湿性Fig.8 Real wettability of left walls in controllable channelsS1状态对应的通道DCA为1 529,对应图中的A1点,将A1点水平映射到曲线MC-2 mm/ s上得到A1,而A1对应的SCA为169. S2状态对应的通道DCA为1 148,对应图中的B1点,B1点为其在曲线MC-2 mm/s上的映射点,B1对应的SCA约为130.当两个通道的DCA相等时,二者左侧壁面的润湿性相同,因此,S1状态下的左侧壁面RSCA = 169,S2状态下

28、的左侧壁面RSCA =130.可见,此通道的左侧壁面实现了超疏水和疏水之间的可逆调控.同样,对于通道CC-C、CC-D和CC-E,压力分别改变7 65 kPa、7 73 kPa和7 76 kPa后,左侧壁面从S1状态转变为S2状态,测得不同状态下各通道的DCA,并将其映射到图8中,得到各壁面的RSCA,其结果如表4所示.表4调控通道左侧壁面的表征润湿性Tab.4 Representative wettability of left walls in controllablechannels通道p/ kPa状态壁面DCA/ () DCA RSCA/ ()CC-C 7 65S1 LR 2217 1

29、 294 143S2 LR 2120 1 050 119CC-D 7 73S1 LR 4332 1 344 149S2 LR 2624 1 083 123CC-E 7 76S1 LR 4028 1 429 156S2 LR 2724 1 125 126CC-F 7 78S1 LR 2617 1 529 169S2 LR 3127 1 148 130 242 纳米技术与精密工程第14卷第4期表中数据表明,基于压力调控,4个通道的左侧壁面RSCA分别变化了24、26、30和39,其变化值随着左侧壁面固有疏水性(SCA)的增强而增大,即调控效果增强.前两个通道实现了强疏水和弱疏水之间的可逆调控,后两

30、个通道实现了超疏水与疏水之间的可逆调控.图6中3条曲线的不同表明了速度对微通道DCA值的影响,对于调控通道而言,流场速度同样会影响调控效果.以CC-F通道为例,液体注射速度分别为1 mm/ s、2 mm/ s和3 mm/ s,左侧壁面先处于S1状态,然后降低气体容腔压力p后,各壁面润湿状态转变为S2,实验测得两状态下对应的通道DCA,其结果如表5所示.表5不同条件下CC-F通道的DCA和DCATab.5 DCA and DCAof CC-F channel under different condi-tionsv/ (mm s -1) p/ kPa状态壁面DCA/ () DCA1 5 54S1

31、 LR 3722 1 682S2 LR 3630 1 2002 7 78S1 LR 2617 1 529S2 LR 3127 1 1483 15 74S1 LR 3930 1 300S2 LR 4237 1 135从表5的实验结果可以看出,随着流速的增大,完成压力调控所需改变的压力值增大,其原因为:流体速度越快,在通道内形成的负压越大,因此,调控时需要调节的压力值越大.图9不同流速下F壁面的实际润湿性Fig.9 Real wettability of surface F with different velocities同样,将表5中DCA值映射到图6中对应的曲线上,得到图9.当v = 1 m

32、m/ s时,S1和S2状态对应的DCA分别等于1 682和1 200,水平映射到MC-1 mm/ s曲线上,分别对应点A2和点B2,对应的RSCA分别为164和112,实现了超疏水和疏水之间的调控.同理,当v = 2 mm/ s时,S1和S2状态对应的RSCA分别等于169和130;当v为3 mm/ s时,对应的RSCA分别为177和145,其RSCA分别变化了52、39和32.可见,随着速度的增大,压力调控的效果减弱,但均实现了超疏水与疏水之间的润湿性调控.2 4数值模拟分析利用Fluent软件对空泡在微通道MC-B、MC-D和MC-F中的流动进行数值模拟,即分别设定左侧壁面的SCA为116

33、、131和155,右侧壁面SCA为47,通道入口流速为0 63 m/ s(对应注射速度v =2 mm/ s),待流动稳定后,空泡的头部形状如图10所示.图10空泡头部形状Fig.10 Bubbles head shape如图所示,随着左侧壁面疏水性的增强,壁面处的DCA显著增大,其左侧壁面处的DCA值分别为13、21和26,右侧壁面处DCA均为10,3个通道的DCA分别为1 3、2 1和2 6,其大小同样随左侧壁面SCA的增大而增大.模拟结果中,3个通道的右侧壁面SCA相同,且DCA均为10,可见,在没有压力或速度波动的情况下,壁面润湿性相同时其壁面处的DCA也相同.另外,模拟得到各通道的DC

34、A均大于实验结果,其原因为:模拟计算模型均为理想模型,无实验误差.取MC-D通道为例,观测其壁面DCA的变化过程.空泡进入通道后,逐渐趋于稳定,选取其中3个时刻,其对应的空泡形状以及流场速度矢量图如图11所示.图中,空泡头部在两侧壁面处对应的流场速度随时间逐渐减小. t1时刻,空泡刚进入通道内,左侧壁面处的流场速度大于右侧壁面,空泡左侧运动比右侧快;t2时刻,两侧速度均减小,且右侧壁面的速度已经稳定,即右侧壁面处的空泡形状不会再发生改变;t3时刻,左侧壁面速度稳定,说明此时流场已经稳定,空泡将保持 2016年7月李小磊等:基于压力法的微通道表面润湿性调控技术 243 图11空泡头部形状变化过程

35、Fig.11 Change process of bubbles head shape这个形状向下游运动.可见,造成空泡在两侧壁面处DCA不同的原因应该是两侧壁面处的速度差,而形成这种速度差的原因就是两侧壁面的润湿性差异,众所周知,疏水性越强,滑移速度越大,当左侧壁面的疏水性增强时,左右两侧的润湿性差距增大,导致两壁面处的速度差增大,这种差距作用到空泡后,则导致DCA增大.对模拟流场进行分析后可知,左侧壁面处的滑移速度为0 129 m/ s,右侧壁面的滑移速度基本为0,而空泡稳定后,左右两侧的流场速度分别为0 13 m/ s和0 04 m/ s,也就是说,空泡稳定后左右两侧壁面处的流场速度基本

36、等于滑移速度.为了验证空泡的形状已经稳定,取空泡向下游运动一段时间后流场的压力分布云图和速度矢量图,如图12所示.图12 MC-D通道的模拟结果Fig.12 Simulation results of MC-D channel图12中空泡的头部形状与图11(c)中t3时刻的空泡形状相同,且气液分界面附近的压力和速度分布均匀,压力场内的压力值为217 Pa,速度场内的速度值为0 66 mm/ s,说明空泡的头部形状不会再发生变化.壁面的润湿性决定了通道内的流场分布,流场分布又决定了空泡稳定后的形状,即壁面润湿性决定了壁面处的DCA,反过来,可借助DCA表征壁面润湿性.这也就说明:当左侧壁面均相同

37、时,用通道的DCA表征左侧壁面的实际润湿性是可行的.2 5两种状态下壁面RSCA的变化机理计算SCA大小时,通常是先确定其气液接触状态,选择接触角计算模型(Wenzel模型或Cassie模型),然后选择对应的公式进行计算.与SCA一样,RSCA的本质也为静态接触角,只是其对应的气液接触状态应为流动时壁面处的实际气液接触状态,对SCA适用的计算公式同样适用于计算RSCA.图13微通孔的三维形状Fig.13 Three-dimensional shape of micro through-hole以CC-F通道的左侧壁面为例,利用激光三维共聚焦(Olympus,OLS4000),测得其三维形貌如图

38、13(a)和13(b)所示,图13(b)为图13(a)的局部放大,图13(c)是对图13(b)进行理想化处理后的图像,其具体尺寸如图13(d)所示. 244 纳米技术与精密工程第14卷第4期F组铝片的SCA为155,根据式(1)20可算出此时固液接触面积占整个接触面积的百分比SL.cos = SL(1 + cos 0) -1 (1)式中:为SCA,取155;0为本征接触角,取116.计算得到SL =0 167,从而认为固液接触形式应如图14(a)和14(b)所示,此时,液体并未浸没到微孔中,但在微柱之间固液发生了部分接触,其接触面积s约为9 10 -3 mm2.图14气液固三相接触形状Fig.

39、14 Contact shape of gas-liquid-solid phase对于S1状态下的F壁面,假设其接触角计算模型如图14(c)所示,固液接触只发生在凸起圆柱的上表面,此时SL = 0 110,根据式(1)进行计算,得 =159,即RSCA =159,其值要小于根据DCA推算得到的169,说明实际固液接触面积分数小于图14(c)中SL,即凸起圆柱上表面也存在气液接触.在调控实验中,有一实验现象恰好能对此计算结果进行佐证,当壁面处于S1状态时,若气体容腔直接与大气连通,在通道内左侧壁面处会自发产生空泡,说明通道内压力要低于大气压,可以推测,凸起圆柱的上表面较容易残留一定量的气体,从

40、而减小了固液接触面积,因此其RSCA(实际润湿性)大于159.另外,流速越快,管内的负压增大(当v =1 mm/ s、2 mm/ s和3 mm/ s时,压力表测得气体容腔内的压力值分别为- 2 67 kPa、 - 3 89 kPa和- 7 87 kPa),压力稳定过程中,气体进入通道内的体积会相对增多,壁面残留的气体会相对增多,从而固液接触面积会减小,实际疏水性增强.对于S2状态下的F壁面,其气液接触状态应如图14(d)所示,孔内充满液体,微柱间固液发生部分接触,其接触面积为s2 (s2 s,减压过程中,微孔柱之间气体会减少,必然导致固液接触面积增大),根据式(2)21可计算得到RSCA.co

41、s R = fglcos gl + fslcos sl (2)式中:R为RSCA;fgl为气液接触所占的面积分数;gl为气液接触角,取180;fsl为固液接触所占的面积分数;sl为固液本征接触角,取116.将数值代入公式后,得到RSCA 140,实验结果中,此状态对应的R =130,数值计算的结果验证了实验结果.基于压力法对壁面进行润湿性调控的本质是对气液接触状态进行调控,S1状态下,通孔内充满气体,S2状态下,通孔内充满液体,其气液接触面积减小.若通孔所占的面积分数增大,调控效果则会更加明显;通孔所占面积分数增大也会增大表面粗糙度,经低表面能物质修饰后,表面的疏水性增强,但无论是面积分数增大

42、还是疏水性增强,调控效果均会增加.3结论(1)空泡在微通道壁面处的动态接触角受壁面润湿性和流速二者共同影响,其大小随壁面疏水性的增强而增大,随流速的增大而减小.同一流速下,随着左侧壁面疏水性的增强,壁面两侧空泡动态接触角比值增大.微通道内动态接触角比值与左侧壁面润湿性的对应关系可用来表征被调控壁面的实际润湿性.(2)通过压力调节,改变液体与固体表面的接触状态,实现了微通道壁面润湿性的调控. SCA为122和131的壁面实现了强疏水和弱疏水之间的可逆调控,SCA为143和155的壁面实现了超疏水和疏水之间的可逆调控,调控效果明显,且重复性好.(3)壁面的压力调控效果随壁面SCA的增大而增强,v

43、= 2 mm/ s时,压力调控效果最好的是F壁面(SCA =155),其RSCA变化了39;随着流场速度的增大,壁面在S1和S2状态下对应的实际疏水性增强,但调控效果减弱,CC-F通道在v =1 mm/ s时调控效果最好,接触角变化范围可达52.参考文献:1 Fujioka H, Takayama S, Grotberg J B. Unsteady propaga-tion of a liquid plug in a liquid-lined straight tubeJ. PhysFluids, 2008, 20(6): 601-611.2 Kreutzer M T, Kapteijn F,

44、 Moulijn J A, et al. Multiphasemonolith reactors: Chemical reaction engineering of segmen-ted flow in microchannelsJ. Chem Eng Sci, 2005, 60(22): 5895-5916.3 Chung P M-Y, Kawaji M. The effect of channel diameter onadiabatic two-phase flow characteristics in microchannelsJ. Int J Multiphase Flow, 200

45、4, 30(7/8): 735-761.4 Kandlikar S G. Scale effects on flow boiling heat transfer inmicrochannels: A fundamental perspectiveJ. Int J ThermSci, 2010, 49(7): 1073-1085.5 Ong C L, Thome J R. Macro-to-microchannel transition intwo-phase flow: Part 1-Two-phase flow patterns and film 2016年7月李小磊等:基于压力法的微通道表

46、面润湿性调控技术 245 thickness measurementsJ. Exp Therm Fluid Sci, 2011,35(1): 37-47.6 Oh J-T, Pamitran A S, Choi K I, et al. Experimental inves-tigation on two-phase flow boiling heat transfer of five refrig-erants in horizontal small tubes of 0 5, 1 5 and 3 0 mm in-ner diametersJ. Int J Heat Mass Transfer

47、, 2011, 54(9/10): 2080-2088.7 Saisorn S, Kaew-On J, Wongwises S. An experimental in-vestigation of flow boiling heat transfer of R-134a in horizon-tal and vertical mini-channelsJ. Exp Therm Fluid Sci,2013, 46: 232-244.8 Abdullah A, Bi-min Z Ne. Influence of tube wettability onwater contact angle of

48、powders determined by capillary riseJ. Colloids and Surfaces A: Physicochem Eng Aspects,2016, 492: 79-87.9 Zhang J L, Li J, Han Y C. Superhydrophobic PTFE Sur-faces by extensionJ. Macromol Rapid Comm, 2004, 25(11): 1105-1108.10 Zhang J L, Lu X Y, Huang W H. Reversible Superhydro-phobicity to superhydrophilicity transition by extending andunloading an elastic polyamide filmJ. Macromol RapidC