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液滴撞击不同倾斜角度超疏水表面时的动态参数测量方法

更新时间:2024-05-14      点击次数:144
液滴撞击固体表面的动力学越来越被科研人员关注。能够帮助科研人员解决很多技术难题,如:在农作物施药过程中,小液滴撞击植物叶面时的弹跳行为直接影响药液的利用率。在能源领域,户外架设的电缆常年受到雨雪的侵袭,我们希望雨雪撞击电缆表面后能够迅速脱落,从而延长电缆材料的使用寿命。在运输领域,飞机和汽车表面的自清洁和除冰能力往往与安全相关。因此,找到一种有效的追踪液滴撞击固体表面后的弹跳行为的方法,对科研人员研究理想的固/液材料或找到快速除冰的方法非常重要。


       本文阐述了一种可行的测量方法,能够直观且量化分析液滴撞击固体表面后的弹跳过程。其扩展功能非常广泛,并不限于文中展示的内容,该方法为研究液滴撞击动力学提供了强有力的数据支撑。

【实验目的】  

   追踪液滴撞击到固体表面后的形变和弹跳过程。


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样品:水,一种超疏水表面
       为什么选择超疏水表面作为实验对象。因为自然界中的植物叶面大多表现为超疏水特性。另外,为增强材料的防水防冰性能也通常将材料表面处理为超疏水表面。因此,该实验选择一种超疏水表面材料测量。如图1,该材料表面在常温下的静态接触角为160.2°。


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图1,超疏水表面与水的静态接触角(CA)



【使用测量仪器】  

       德国德飞Dataphysics仪器公司生产的OCA系列接触角测量仪,是一款基于视频法的多功能测量仪器。它能够精确测量固/液接触角、液体表面张力、固体表面自由能、界面扩张流变等物理量。
       在本次应用中,我们选用了OCA 50型号(如图2所示)装置倾斜台(如图3所示)进行测量。该倾斜平台的倾斜角度为0°至360°,可以完成液滴撞击任意倾斜角度的固体表面的动态跟踪。
       此测量仪器和配置适合于液滴弹跳,液滴滚落,液滴滑动,液滴残留等动态捕捉和量化分析。


图片图2:OCA 50接触角测量仪



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图3:TBA 360M倾斜台




【测量原理和方法】  

       本次实验的核心是利用OCA50仪器的视频系统,一个高分辨率高速相机捕捉液滴撞击到超疏水材料表面后的完整动态变化过程。观察内容包括液滴弹跳的过程,弹跳高度,形状变化、最大接触直径等关键参数。通过这些数据的记录和分析,可以深入了解超疏水材料表面在液滴撞击时两者的相互作用情况,进而评价药液的施药效果或材料的防水防冰性能等。




【实验过程】  

       在实验中,我们采用了精确外径为0.2mm的超细注射针,由仪器专用的软件自动注射液体,保证每次从针口脱离的水滴体积均4.3ul。将水滴从固定高度17mm释放,任其自由下落。在此过程中,液滴受到重力的作用,加速下落,直至与正下方放置的超疏水表面相撞。
       考虑到自然界中的固体表面大部分都带有倾斜角度,为了模拟真实情境,调节倾斜台角度使固体超疏水表面处于不同的倾斜角度放置。本文分别测量了超疏水表面倾斜0°(水平)、10°、20°、30°、40°时液滴撞击时的动态参数。图4展示了水滴撞击不同倾斜表面的弹跳状态(如需要相关视频可与我司联系)。


图片图4,水滴从17mm高度自由落下,撞击不同倾斜角度的超疏水表面后回弹时不同时间状态的截图,所有数据均通过OCA50接触角测量仪直接拍摄录像得到


      当水滴与不同倾斜角度的超疏水表面发生碰撞时,水滴动态行为会受到表面倾斜角度的影响,表现出不同的弹跳状态、铺展、回缩等现象。
      下面我们选择几个参数对获得的视频图像进行量化计算。
1,水滴撞击到不同倾斜角度超疏水表面后的最大直径(见图5和表一):


图片表一:水滴撞击到不同倾斜角度超疏水表面后的最大直径

图片图5,应用OCA50接触角测量仪的专用软件测量水滴撞击到不同倾斜角度超疏水表面后的最大直径



2,水滴撞击到不同倾斜角度超疏水表面后未脱离表面时的反弹高度测量(见图6和表二):



图片表二,水滴撞击到不同倾斜角度超疏水表面后未脱离表面时的反弹高度

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图6,应用OCA50接触角测量仪的专用软件测量水滴撞击到不同倾斜角度超疏水表面后未脱离表面时的反弹高度


3,水滴撞击到水平放置的超疏水表面后的弹跳高度、水滴截面积、发生弹跳部分的水滴体积测量(见图7):


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7,应用OCA50接触角测量仪的专用软件测量水滴撞击到到水平放置的超疏水表面后的弹跳高度、水滴截面积、发生弹跳部分的水滴体积


4, 水滴撞击到水平放置的超疏水表面后的回弹平均速度计算(见图8):
由图8可以计算得到水滴撞击到水平放置的超疏水表面后的回弹平均速度为:
V =(5.05095 – 3.33332)/11.09 = 0.14433mm/ms


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图8,应用OCA50接触角测量仪的专用软件测量水滴撞击到水平放置的超疏水表面后的回弹平均速度



【结论】  

       本文述了一种测试方案,采用OCA50接触角测量仪配合360度倾斜台追踪水滴以一定的高度撞击到超疏水表面后的动态过程,并通过专用的计算分析软件计算得到水滴在此过程中的很多参数信息。该方法测量简单,精度高,获得的信息量充分,为研究水滴的动态运动过程提供有力的数据支撑。特别适用于农药制剂研发,户外电缆防水防冰,以及飞机汽车等防冰材料的研发。
       本文只选择了几个参数进行测量,该仪器的测量功能非常广泛,还可以测量水滴在撞击不同倾斜角度超疏水表面后很多参数,如:水滴的铺展面积,水滴滑行距离,水滴回缩速度,水滴是否分离及分离后的体积占比,每一个与时间瞬间相关的参数,不同的拍摄速度获取,不同高度或不同液滴体积的撞击状态等等。
        另外,OCA50接触角测量仪除了可以配置360度倾斜台,还可以配置不同的控温单元和湿度附件,可以模拟现实环境南北方温湿度不同进行测量,以获得更真实的环境条件数据支撑。
       总之,此套完整的解决方案不仅有助于深入了解液滴与超疏水表面之间的相互作用机制,还为超疏水材料的设计和优化、施药制剂研发等提供了有力的数据支持。


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