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SAW作用下的液膜铺展实验:引入活性剂浓度对分离压和表面张力的影响
来源:物理学报 浏览 650 次 发布时间:2024-10-21
液滴或液膜的铺展过程在电子系统冷却、镀膜、喷墨印刷等领域具有广泛的应用。常用的促进液滴铺展的手段有施加电场(电润湿)或磁场,添加表面活性剂或对液膜加热以引起Marangoni效应。近年来,学者们发现以表面声波(surface acoustic wave,SAW)形式传播的MHz级高频振动可驱使位于固体基底上的完全润湿液膜铺展甚至移动,而部分润湿液膜只有在添加活性剂使其表面张力减小后才可在SAW作用下铺展。深入研究活性剂对SAW作用下部分润湿液膜铺展的影响有助于精准控制液膜运动,进而改进工艺和提高产品质量。
由Friend和Yeo领导的研究组在2011——2015年间对SAW作用下的液滴或液膜铺展现象进行了一系列研究。2011年,他们通过实验观察到在声波引起的MHz级振动作用下的液滴平衡状态取决于它所在基底的润湿性,进一步分析发现声辐射压使液滴在垂直方向上变形,而边界层流驱使接触线移动及液滴铺展。2012年,Rezk等发现固着油滴在SAW作用下产生了所谓的“声润湿”现象、指进不稳定现象和类孤子波。Rezk等通过另一个实验发现受SAW作用的硅油液膜的稳定状态与液膜厚度有关,且在薄膜的铺展过程中出现了两次流动方向的转变。2015年,Manor等推导出了液膜在SAW作用下铺展的具有普适性的控制方程,并根据该控制方程分析了液膜的铺展动力。
上述研究对象均是完全润湿液膜,而之前的研究表明部分润湿液膜无法在高频振动作用下铺展,若振动强度进一步提升则会发生雾化。但Altshuler和Manor发现往水膜添加表面活性剂使其表面张力减小后,水膜可以在SAW作用下进行铺展。他们的实验结果表明振动强度一定时,液膜前缘的移动速度和活性剂浓度正相关;提高振动强度可以加快液膜前缘的移动速度,且移动速度随θ3/We的减小而增大,其中θ表示三相接触角,We为Weber数。在理论研究方面,Altshuler和Manor考虑毛细力、声辐射压、分离压作用,分别建立了不含活性剂的薄液膜厚度方程和不含活性剂的厚液膜厚度方程,提出用无量纲数θ3/We来阐述控制部分润湿水膜铺展的动力学机理。2016年,Altshuler和Manor又通过数值计算求解不含活性剂的薄液膜厚度演化方程,分别探究了部分润湿薄液膜铺展过程受声波引起的漂移流主导和受毛细力、漂移流共同控制及受毛细力主导时的动力学特征。
研究表明,活性剂的存在可以通过两种途径影响液膜的流动:首先,活性剂会降低液体的表面张力,因而活性剂浓度分布不均将导致液体由高浓度区(低表面张力)流向低浓度区(高表面张力),即引发Marangoni效应,促使浓度分布趋于均匀,加速液膜变薄;其次,活性剂的特性和浓度将影响分离压。一般认为,纯水中由于水偶极子的吸附作用而使界面带负电荷,当纯水中加入表面活性剂时,活性剂的类型和浓度均会对静电作用力产生影响,进而影响分离压。而分离压是影响超薄液膜去润湿稳定性的主要因素。
综上所述,SAW作用下的液膜铺展实验已开始涉及表面活性剂的影响,但该领域已有的理论模型尚未将这一影响加以考虑。因此,在已有的SAW驱动液膜流动的模型中引入活性剂浓度对分离压和表面张力的影响,利用数值模拟研究部分润湿薄液膜在声波与毛细力不同相对贡献度下的铺展过程,并讨论了分离压和Marangoni效应对铺展过程的影响。