超疏水表面液滴的冷凝成長特性研究

　　利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)為基底采用光刻技術(shù)制備了微方柱狀超疏水表面，分析了冷凝條件下超疏水表面液滴的冷凝生長特征，發(fā)現(xiàn)液滴的生長過程可分為微液滴成核冷凝獨立生長、冷凝微液滴合并生長以及大液滴生長3個階段。超疏水表面初始合并的液滴呈Wenzel-Cassie狀態(tài)和Wenzel狀態(tài)，隨著冷凝液滴的成長，液滴的液-固接觸面積與粗糙結(jié)構(gòu)表面的表觀面積之比f隨著冷凝液滴尺寸的增大而增大，Wenzel-Cassie狀態(tài)向完全Wenzel狀態(tài)轉(zhuǎn)變。最后分析了超疏水性破壞的原因。

1、前言

　　近些年來，隨著納米技術(shù)的發(fā)展，納米超疏水材料制備的日臻成熟，將納米超疏水材料應(yīng)用到冷凝器的研制中，實現(xiàn)空調(diào)蒸發(fā)器內(nèi)部盤管表面由膜狀凝結(jié)轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒌螤钅�結(jié)是目前采用的重要方法。因此，如何在換熱表面實現(xiàn)恒定的微滴狀凝結(jié)是國內(nèi)外研究者一個多世紀(jì)以來的目標(biāo)。為此，國內(nèi)外研究者就超疏水表面的制備、微觀傳熱機理以及傳熱特性等方面進(jìn)行了大量卓有成效的工作。Narhe等制備了溝槽狀微結(jié)構(gòu)表面，研究了冷凝條件下液滴的動態(tài)成長特征;Cheng等對荷葉表面冷凝液滴的浸潤特性進(jìn)行了觀察，發(fā)現(xiàn)水蒸氣凝結(jié)條件下荷葉表面不再具有超疏水性;Kevin以及He等則對低溫下超疏水表面的靜態(tài)表觀接觸角進(jìn)行了研究。然而，目前的滴狀冷凝研究中，冷凝液滴是重力作用下的自然脫落，形成的較大液滴由于熱阻較大，使得冷凝傳熱系數(shù)不能得到較大提高。試驗表明，超疏水表面上液滴并不能迅速脫落，即超疏水表面失效了。為探究其失效的原因，國內(nèi)外研究者從超疏水表面液滴微觀浸潤狀態(tài)入手進(jìn)行了深入研究。

　　研究表明，粗糙表面液滴主要存在3種典型的浸潤狀態(tài):Wenzel狀態(tài)、Cassie狀態(tài)以及Wenzel-Cassie狀態(tài)，如圖1(a)、(b)、(c)所示。

圖1 粗糙表面水滴浸潤狀態(tài)

　　液滴所處狀態(tài)不同，導(dǎo)致其運動性質(zhì)也存在巨大差異。Wenzel狀態(tài)液滴由于浸入了粗糙表面微結(jié)構(gòu)內(nèi)，因此“粘”性極強，不易從粗糙表面脫落，存在很大的接觸角滯后。其表觀接觸角θr可由Wenzel方程描述如下:

cosθr=rcosθ(1)

　　式中r———粗糙度;θ———本征接觸角

　　而Cassie狀態(tài)液滴則懸停在粗糙表面，粘性微弱，因此能夠輕易滾落，即很小的接觸角滯后。其表觀接觸角θr

　　可由Cassie方程描述如下:

cosθr=fcosθ+f-1(2)

　　式中f———液滴的液—固接觸面積與粗糙結(jié)構(gòu)表面的表觀面積之比方程(1)和(2)可以合并成一個更加通用的方程:

cosθr=rfcosθ+f-1(3)

　　方程(3)適用于Wenzel和Cassie狀態(tài)，也適用于Wenzel-Cassie狀態(tài)。

　　本文根據(jù)液滴在粗糙表面呈現(xiàn)Cassie狀態(tài)的熱動力穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計加工了一種幾何上能夠保證超疏水特性的微方柱結(jié)構(gòu)表面，通過對蒸汽冷凝過程的顯微觀測以及在常規(guī)條件和冷凝條件下液滴接觸角的測量，對超疏水表面在冷凝條件下液滴的生長過程機理以及液滴的浸潤狀態(tài)進(jìn)行了分析，并對超疏水特性的破壞機理進(jìn)行了解釋。

4、結(jié)語

　　本文研究了超疏水表面冷凝液滴的生長過程，發(fā)現(xiàn)液滴冷凝生長可分為3個階段:微微液滴獨立生長;微液滴合并生長;大液滴生長。同時測量了液滴在常規(guī)條件以及冷凝條件時的靜態(tài)接觸角，通過分析結(jié)果得出，液滴在第二階段的合并機制是造成超疏水表面形成不同浸潤狀態(tài)液滴的要原因。此外，冷凝條件下，超疏水表面初始合并的液滴呈Wenzel-Cassie狀態(tài)和Wenzel狀態(tài)，隨著冷凝液滴的成長，液滴的液-固接觸面積與粗糙結(jié)構(gòu)表面的表觀面積比f隨著冷凝液滴尺寸的增大而增大，Wenzel-Cassie狀態(tài)液滴向完全Wenzel狀態(tài)轉(zhuǎn)變。這是造成超疏水表面疏水性消失的主要原因。