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等离子体纳米织构化聚合物表面的液滴蒸发机制∗

  • 李昱鹏

    机 构：

    大连理工大学材料科学与工程学院 大连 116024

    ×
  • ， 郭振

    机 构：

    大连理工大学材料科学与工程学院 大连 116024

    ×
  • ， 刘霞

    机 构：

    大连理工大学材料科学与工程学院 大连 116024

    ×
  • ， 霍磊

    机 构：

    大连理工大学材料科学与工程学院 大连 116024

    ×
  • ， 雷明凯

    机 构：

    大连理工大学材料科学与工程学院 大连 116024

    ×

大连理工大学材料科学与工程学院 大连 116024；

Evaporation Mechanism of Water Droplets on Polymer Surfaces by Plasma Nanotexturing

  • LI Yupeng

    Affiliation：

    School of Materials Science and Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024 , China

    ×
  • ， GUO Zhen

    Affiliation：

    School of Materials Science and Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024 , China

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  • ， LIU Xia

    Affiliation：

    School of Materials Science and Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024 , China

    ×
  • ， HUO Lei

    Affiliation：

    School of Materials Science and Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024 , China

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  • ， LEI Mingkai

    Affiliation：

    School of Materials Science and Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024 , China

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School of Materials Science and Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024 , China；

作者简介:

李昱鹏,男,1980年出生,博士,副教授,硕士研究生导师。主要研究方向为材料表面工程。E-mail:ypli@dlut.edu.cn;

雷明凯(通信作者),男,1963年出生,博士,教授,博士研究生导师。主要研究方向为材料表面工程。E-mail:surfeng@dlut.edu.cn

中图分类号:TG156;TB114

文献标识码:A

DOI:10.11933/j.issn.1007-9289.20210429001

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目录contents

    摘要

    超疏水性表面的微纳结构改变极大影响了液体蒸发行为,在超疏水性材料工程应用方面具有重要研究价值。 采用氧等离子体处理(OPT)和八氟环丁烷等离子体聚合沉积(FPD)的两步等离子体纳米织构化法在聚丙烯表面制备纳米线和纳米锥结构,研究具有不同纳米织构聚丙烯超疏水性表面的去离子水滴在 30 ℃和 60 ℃温度下的蒸发行为,并对其蒸发机制进行讨论和分析。 结果表明:液滴在超疏水性表面总蒸发时间随 FPD 时间的增加变短。 液滴蒸发初期,液滴在聚丙烯表面处于 Cassie 态,此时主要传热方式为聚丙烯表面通过气体与液滴间接传热,液滴均匀蒸发,蒸发模式为恒定接触角(CCA)模式;随蒸发时间增加,液滴在表面的浸润状态依次转变为 Marmur 态和 Wenzel 态,主要传热方式变为聚丙烯表面与液滴直接传热,液滴蒸发加快,蒸发模式转变为混合(Mixed)模式。 聚丙烯表面纳米织构的尺寸增大和团簇增加导致液滴与超疏水性表面之间的气相占比减少,造成聚丙烯表面与液滴直接传热加强,促进了液滴从 CCA 到 Mixed 的蒸发模式转变。

    Abstract

    The influence of surface textures on the droplet evaporation behaviors is important in the applications of the superhydrophobic surfaces. The plasma nanotexturing methods including the oxygen plasma treatment ( OPT) and the following octafluorocyclobutane (C4F8 ) plasma polymerization deposition (FPD) were utilized to fabricate the superhydrophobic surfaces on the polypropylene substrates. The surface nanotexture transition from the nanowires into the nanocones was achieved by the plasma polymerization of octafluorocyclobutane monomer with the duration time. The evaporation behaviors and mechanisms of water droplets at the temperature of 30 ℃ and 60 ℃ were studied on the superhydrophobic polypropylene surface with the different nanotextures. The total evaporation time of water droplets decreased on the superhydrophobic surfaces fabricated by the plasma polymerization with the increase of duration time. During the initial evaporation process, the surfaces with the different nanotextures showed the droplet evaporation in constant contact angle ( CCA) model due to the prominent heat transfer of the interfaces between the vapor and the droplets in the superhydrophobicity with Cassie state. The evaporation of water droplets which transited into Marmur and Wenzel state became the mixed model due to the enhanced heat transfer between the interfaces of the nanotexturs and the droplets with the increase of evaporation time. In addition, the increased width and aggregation of nanocone in FPD for the increased duration time led to the reduced proportion of vapor between the droplets and the nanotextured surfaces and the enhanced heat transfer between the interfaces of the nanotexturs and the droplets, which caused the increase of the area-average evaporation flux over the droplet surfaces. The transformation from CCA evaporation model to mixed evaporation mode of water droplets became easy on the superhydrophobic surfaces with nanocones.

  • 0 前言

  • 液滴蒸发是自然界普遍存在的一种现象,比如 “咖啡杯”现象和“莲叶效应”,同时液滴蒸发是一个复杂且涉及多领域交叉的问题,液滴蒸发更是得到工业、医学和生物界的广泛关注,例如自清洁[1-3]、薄膜涂层[4-6]、DNA拉伸及DNA绘图[7-8]、生物传感[9-10]等。

  • 为此科研工作者对液滴蒸发进行了大量的试验和理论研究,目前已有的研究发现液滴在表面蒸发主要遵循由PICKNETT等[11]提出的三个基本模式: ①恒定接触半径蒸发模式(Constant contact radius, CCR)———液滴接触半径保持不变,接触角逐渐变小;②恒定接触角蒸发模式(Constant contact angle, CCA)———液滴接触角保持不变,接触半径逐渐变小:③混合蒸发模式(Mixed)———液滴接触半径和接触角均减小。王晓东等[12] 在铜表面进行液滴蒸发试验,发现液滴在整个蒸发过程中几乎全部处于CCR模式;葛瑶等[13]分别研究了去离子水在亲水性 (硅片)和疏水性(荷叶)表面上的蒸发,发现液滴在亲水性表面有三个蒸发阶段,而液滴在疏水性表面具有四个蒸发阶段;YU等[14] 在聚二甲基硅氧烷 (PDMS)疏水性表面进行液滴蒸发试验,发现液滴蒸发模式依次发生了变化,分别为CCR模式、CCA模式和Mixed模式。

  • 随着超疏水性材料的崛起,基于液滴蒸发与超疏水性材料丰富的应用性,在超疏水性材料表面上的液滴蒸发逐渐得到了研究者重视,影响液滴在超疏水性材料表面蒸发的因素很多,其中材料表面的微观结构是不可忽视的因素。王淑香等[15] 设计加工了一种具有圆线状微结构的超疏水性表面,以此使表面产生润湿梯度,试验结果表明液滴在其表面蒸发过程遵循Mixed模式;XU等[16] 研究了液滴在具有微柱状结构的超疏水性表面上的蒸发过程,发现表面微柱阵列距离会影响液滴不同蒸发模式阶段持续的时间,随着微柱之间距离的增加,整个液滴蒸发过程中CCR模式阶段持续时间缩短,CCA模式阶段持续时间增长;YU等[17] 比较了液滴在凹坑状和平坦的PDMS表面上的蒸发,试验发现液滴在凹坑状表面上CCR蒸发模式阶段持续的时间比在平坦的表面要长。材料表面微结构对于液滴蒸发具有决定性的影响,而目前对于液滴在具有纳米织构的超疏水性表面上的蒸发及其机理研究还有所不足,本文采用等离子体纳米织构化方法在聚丙烯表面制备出具有纳米线和纳米锥结构的超疏水性表面,研究了不同温度下去离子水滴在超疏水性聚丙烯表面蒸发过程,并进一步分析了纳米织构对液滴蒸发行为的影响。

  • 1 试验准备

  • 1.1 超疏水性样品制备

  • 基板材料为聚丙烯( PP),其尺寸为20mm × 20mm×1mm。样品先分别用化学纯丙酮和酒精常温超声清洗15min,再用去离子水常温超声清洗20min,然后在70℃ 恒温干燥箱中保存12h,以待后续使用。

  • 图1 给出了射频容性耦合等离子体(CCRP)装置示意图,利用该装置通过两步法在聚丙烯基板上制备纳米织构化表面。 CCRP反应器内部由两个平行相距110mm的直径为200mm的平面不锈钢电极组成,上电极接地,下电极连接13.56MHz射频源[18]。聚丙烯基板并排放置在下电极上。第一步, 机械泵将反应器中压力抽至0.1Pa,随后开启涡轮分子泵将其压力抽至4 μPa,然后将99.9%纯氧气以流量10.8m 3/s通入反应器中,同时反应器压力保持在18Pa。聚丙烯基材在射频功率200W下进行持续时间t OPT=10min的氧等离子处理(OPT);第二步,OPT处理后的聚丙烯基材进行碳氟等离子体聚合物沉积。将99.9%纯八氟环丁烷(C4F8) 气体以流量8.6m 3/s通入反应器中,同时反应器压力保持在8.8Pa。聚丙烯基材在射频功率200W下分别进行持续时间t FPD=1min、5min、10min、15min、 20min的C4F8 等离子体聚合沉积(FPD)。最后得到具有不同纳米织构的超疏水性聚丙烯表面。

  • 图1 射频容性耦合等离子体(CCRP)装置示意图

  • Fig.1 Schematic diagram of the radio frequency capacitively coupled plasma (CCRP) device

  • 1.2 试验分析

  • 采用ZEISS SUPRA-55VP型场发射扫描电子显微镜观察聚丙烯纳米织构化表面微观形貌。采用德国Data physics公司的OCA20型接触角测量仪对聚丙烯样品的润湿性进行评价。液滴蒸发试验由OCA20型接触角测量仪控制的恒温装置上完成。首先蒸发基板温度分别加热到30℃ 和60℃,将聚丙烯样品置于蒸发基板表面;然后将4 μL的去离子水液滴置于聚丙烯样品表面,并利用接触角测量仪的光学视频系统记录液滴的蒸发形貌变化。利用Image J软件测量表面纳米织构尺寸和液滴尺寸,纳米织构尺寸参数通过测量和计算表面多个纳米织构尺寸的平均值获得。

  • 2 结果与讨论

  • 2.1 聚丙烯表面纳米织构和超疏水性

  • 图2 给出了经10min的OPT处理和不同时间的FPD处理后聚丙烯表面的微观形貌。随FPD处理时间的增长,聚丙烯表面形貌呈现出从无序纳米线到无序纳米锥的演变过程。经FPD处理1min后,聚丙烯表面为无序纳米线微观形貌;FPD处理时间增加到5min时,无序纳米线变粗并且顶部出现尖端; FPD处理时间为10min时,表面普遍为针头状纳米线,部分纳米线转变为纳米锥;FPD处理时间继续增加到15min时, 无序纳米锥完全形成;FPD处理时间达到20min时,相邻纳米锥顶部聚拢,无序纳米锥出现区域团簇。

  • 图2 经10min的OPT处理和不同时间的FPD处理后聚丙烯表面的微观形貌

  • Fig.2 Surface morphology on polypropylene surfaces modified by oxygen plasma treatment (OPT) for 10min and C4F8 plasma polymerization deposition (FPD) for (a) 1min, (b) 5min, (c) 10min, (d) 15min, and (e) 20min

  • 表1 给出了聚丙烯表面纳米织构高度H、底部直径D及间距S的数值。 t FPD=1min时,纳米织构的高度为0.88 μm,底部直径为0.12 μm,纳米织构之间的间距为0.63 μm,随着 t FPD 的增加,纳米织构从纳米线状结构转变为纳米锥状结构,并且纳米织构的间距逐渐减小,底部直径逐渐增大,同时也说明了纳米织构产生局部团簇;当 t FPD=20min时,纳米织构的 H、 D 及 S 分别为1.20 μm、 0.29 μm和0.30 μm。纳米锥状结构的形成是在纳米线状结构的基础上经FPD不断处理后形成的。

  • 接触角是评价超疏水性表面润湿性较为重要的指标。表2是液滴在聚丙烯超疏水性表面的静态接触角和动态接触角,动态接触角包括前进角、滞后角及滚动角,其中滚动角为液滴在样品表面刚发生滚动的倾斜角度,接触角滞后为前进角和后退角的差值。从表2中可以看出,经不同FPD时间处理后的聚丙烯超疏水性表面的静态接触角无明显差别,基本维持在152°~156°。为了更好地评价聚丙烯超疏水性表面的润湿性能,引入了滚动角和接触角滞后。经FPD处理1min、5min、10min和15min的表面的滚动角均在1°~2°;当 t FPD=20min时,水滴滚动角上升至5°左右,但是滚动角皆在10°以内。无论FPD处理时间长短,接触角滞后均低于2°。在具有纳米线和纳米锥的聚丙烯表面液滴均为Cassie超疏水态,液滴易滑动,粘滞不明显,表明具有纳米线和纳米锥的聚丙烯表面展现出相似的超疏水性。

  • 表1 经10min OPT处理和不同时间FPD处理后聚丙烯表面的纳米织构尺寸参数

  • Table1 Nanotexture dimension parameters on polypropylene surfaces modified by OPT for 10min and FPD for 1min, 5min, 10min, 15min and 20min

  • 表2 经10min的OPT处理和不同时间的FPD处理后聚丙烯表面的静态接触角和动态接触角

  • Table2 Static contact Angle and dynamic contact angle on polypropylene surfaces modified by OPT for 10min and FPD for 1min, 5min, 10min, 15min, and 20min

  • 2.2 聚丙烯超疏水性表面蒸发过程的液滴变化

  • 图3 给出了蒸发温度30℃和60℃下具有不同纳米织构聚丙烯表面液滴随蒸发时间的侧面照片。蒸发温度为30℃ 时,当液滴置于t OPT=10min和 t FPD=1min处理具有纳米线的聚丙烯超疏水性表面,初始0s时,液滴呈现出完整的圆球形,随蒸发时间的增加,液滴尺寸逐渐变小,蒸发时间到2 162s,液滴都保持球形,在表面处于Cassie超疏水状态;蒸发时间2 300s时,液滴为扇形,在表面发生润湿转变, 处于过渡态(Marmur态) [19];蒸发时间2 700s时, 液滴形状转变为豆粒状, 液滴润湿状态转变为Wenzel态,随后液滴完全蒸发,液滴蒸发过程结束。在经不同FPD时间处理得到的具有纳米线和纳米锥聚丙烯表面,液滴蒸发过程中其形貌都发生两次明显的转变,第一次为初始球形转变为扇形,第二次为扇形转变为豆粒状。液滴形状的转变也是表面润湿状态的改变,在发生第一次形状转变之前,液滴在表面是Cassie态,发生形状转变之后,液滴在表面的状态由Cassie态转变为Marmur态;第二次形状转变后,液滴在表面的状态由Marmur态转变为Wenzel态。 FPD处理时间的延长决定着液滴蒸发时间, FPD处理时间越长,液滴蒸发时间越短,并且液滴两次蒸发形状转变的时间提前,如在 t FPD=20min的具有纳米锥的表面上,液滴在130s后由Cassie态转变为Marmur态,1 550s时由Marmur态转变为Wenzel态。

  • 图3 蒸发温度30℃ (a)和60℃ (b)下具有不同纳米织构聚丙烯表面液滴随蒸发时间的侧面照片

  • Fig.3 Photograph of droplet profiles at the evaporation duration time on superhydrophobic polypropylene surfaces with different nanotextures at the evaporation temperature of 30℃ (a) and 60℃ (b)

  • 当蒸发温度为60℃时,液滴在表面的蒸发过程和30℃ 时相似,液滴尺寸随蒸发时间推移逐渐变小,液滴形貌同样存在两次转变,从初始球形转变为扇形,然后为豆粒状,最后完全蒸发。液滴形状的转变同样对应着液滴在表面润湿状态的改变,依次发生Cassie态、Marmur态、Wenzel态三态的转变。由于蒸发温度的增加,液滴蒸发总时间变短,相应的液滴形状转变和润湿状态转变时间同样变短,并且液滴蒸发时间随FPD处理时间的增加而变短。

  • 图4 给出了蒸发温度30℃和60℃下具有不同纳米织构聚丙烯表面液滴接触角与接触半径随归一化时间变化,其中液滴接触半径为某时刻的接触半径与原始接触半径的比值,归一化蒸发时间为某蒸发时刻与总蒸发时间的比值,即蒸发时间占比。在蒸发温度30℃时,液滴在经 t FPD=1min处理得到的具有纳米线的聚丙烯超疏水性表面上蒸发,在蒸发前期,液滴接触半径随蒸发时间逐渐减小,接触角基本保持不变,维持在150°左右,液滴以CCA模式蒸发,保持低粘滞Cassie超疏水态; 蒸发时间占比0.80之后,液滴接触半径和接触角随蒸发时间都逐渐减小,液滴以Mixed模式蒸发,液滴在表面状态开始由Cassie态转变为Marmur态; 蒸发时间占比0.90之后,液滴转变为Wenzel态,接触半径和接触角快速减小,直至完全蒸发。在蒸发过程中,在蒸发时间占比0.80之前液滴为CCA蒸发模式,0.80之后为Mixed蒸发模式。 t FPD=15min处理具有纳米锥的聚丙烯超疏水性表面,在蒸发时间占比0.31之前,液滴在表面上的接触角几乎无变化,保持Cassie超疏水态,接触半径随时间增加缓慢减小,液滴为CCA蒸发模式;0.31之后液滴接触角和接触半径随时间蒸发逐渐变小,液滴转变为Marmur态,进入Mixed蒸发模式;蒸发时间占比0.90之后,接触半径和接触角快速减小,液滴处于Wenzel态,快速完全蒸发。在具有不同纳米织构聚丙烯表面上液滴最初都为CCA蒸发模式,再进入Mixed蒸发模式,蒸发模式转变点如图3中竖直虚线所示。随着 t FPD 的增长,CCA蒸发模式时间占比变短,相应的Mixed蒸发模式时间占比增长。在蒸发温度为60℃下,在具有不同纳米织构聚丙烯表面上,随蒸发时间液滴蒸发模式的变化规律与30℃ 时总体一致。并且不同蒸发温度下,液滴在 t FPD=1min和 t FPD=5min处理得到的具有纳米线的聚丙烯超疏水性表面上蒸发, 液滴接触半径随蒸发时间降低较快,液滴较长时间处于Cassie超疏水态,CCA模式蒸发时间占总蒸发时间比例较大;液滴在 t FPD=15min和 t FPD=20min处理得到具有纳米锥的聚丙烯超疏水性表面上蒸发,液滴接触半径随蒸发时间下降较缓,液滴保持Cassie超疏水态较短,较快转变为Marmur态,Mixed模式蒸发时间占总蒸发时间比例较大。

  • 图4 蒸发温度30℃ (a)和60℃ (b)下具有不同纳米织构聚丙烯表面液滴接触角与接触半径随归一化时间变化

  • Fig.4 Contact angle and normalized contact radius of water droplets at the normalized evaporation duration time on superhydrophobic polypropylene surfaces with different nanotextures at the evaporation temperature of 30℃ (a) and 60℃ (b)

  • 图5 给出了蒸发温度30℃和60℃下具有不同纳米织构聚丙烯表面液滴的CCA和Mixed模式蒸发时间。随 t FPD 增加的聚丙烯表面,液滴的总蒸发时间逐渐降低,CCA模式蒸发时间降低,Mixed模式蒸发时间增加。蒸发温度为30℃ 时,随 t FPD 增加, CCA蒸发模式占蒸发总时间分别为80%和、75%、 43%、30%和7%;蒸发温度为60℃ 时,随 t FPD 增加, CCA蒸发模式占蒸发总时间分别为81%、 75%、 55%、34%和19%。 t FPD=1min和 t FPD=5min处理具有纳米线的聚丙烯超疏水性表面,液滴蒸发总时间中,CCA蒸发模式占主体。 t FPD=15min和 t FPD=20min处理具有纳米锥的聚丙烯超疏水性表面, Mixed蒸发模式占主体。蒸发温度不是决定液滴在不同纳米织构聚丙烯表面上蒸发模式的主要原因, 但是随着FPD处理时间的增长,聚丙烯表面纳米线转变为纳米锥,CCA蒸发模式时间逐渐较少,相应的Mixed蒸发模式时间变长。

  • 图5 蒸发温度30℃和60℃下具有不同纳米织构聚丙烯表面液滴CCA和Mixed模式的蒸发时间

  • Fig.5 Evaporation duration time of water droplets in CCA model and Mixed model on superhydrophobic polypropylene surfaces with different nanotextures at the evaporation temperature of 30℃ and 60℃

  • 2.3 聚丙烯超疏水性表面的液滴蒸发行为

  • 通过测定表面的液滴尺寸,可计算不同蒸发时间下液滴的体积变化,分析在具有不同纳米织构超疏水性表面液滴的宏观蒸发速度。液滴体积计算公式如下:

  • V=4πR33-∫0r πr2dr
    (1)

  • 式中,R 为液滴半径,r 为液滴与聚丙烯表面接触的半径。

  • 图6 给出了蒸发温度30℃和60℃下具有不同纳米织构聚丙烯表面液滴体积随蒸发时间的变化曲线。在蒸发温度30℃下,t FPD=1min和 t FPD=5min处理具有纳米线的聚丙烯超疏水性表面,液滴体积变化相对较缓,斜率较小,液滴蒸发速度相对较慢。 t FPD=15min和 t FPD=20min处理具有纳米锥的聚丙烯超疏水性表面,液滴蒸发时间较短,体积变化曲线较陡峭,斜率较大,表明蒸发速度较快。在蒸发温度60℃下,不同 t FPD 表面的液滴体积变化趋势相近, 液滴体积随蒸发时间逐渐下降,蒸发速度接近。在CCA蒸发模式和Mixed蒸发模式阶段,不同纳米织构聚丙烯表面宏观蒸发速度未出现明显改变。

  • 图6 蒸发温度30℃和60℃下具有不同纳米织构聚丙烯表面液滴体积随蒸发时间变化曲线

  • Fig.6 Water droplet volume at evaporation duration time on superhydrophobic polypropylene surfaces with different nanotextures at the evaporation temperature of (a) 30℃ and (b) 60℃

  • 基于聚丙烯表面液滴的体积变化,可进一步计算随蒸发时间的液滴面积平均蒸发通量变化,比较具有不同纳米织构超疏水状表面液滴的实际蒸发速率。液滴的表面积平均蒸发通量计算公式[20]为:

  • Javg=ρdvAdt
    (2)

  • 式中,ρ 是液滴密度, A 是液滴表面积, V 是液滴体积。

  • 图7 给出了蒸发温度30℃和60℃下液滴在具有不同纳米织构聚丙烯表面的蒸发通量随归一化时间变化曲线。在蒸发温度30℃ 和60℃ 下,液滴在具有不同纳米织构聚丙烯表面的蒸发通量随蒸发时间增加而增加。蒸发温度30℃ 下,t FPD=1min和 t FPD=5min处理具有纳米线的聚丙烯超疏水性表面,在最初液滴CCA蒸发模式阶段,蒸发通量随蒸发时间逐步增加,转变为Mixed蒸发模式后,蒸发通量变化出现拐点,随蒸发时间急剧加快,直至液滴蒸发完毕。 t FPD=15min和 t FPD=20min处理具有纳米锥的聚丙烯超疏水性表面,在最初液滴CCA蒸发模式阶段,蒸发通量随蒸发时间增加较快,转变为Mixed蒸发模式后,蒸发通量增加变缓,后期蒸发通量加快, 蒸发通量最快可达0.008kg/m 2 s。蒸发温度60℃ 下,t FPD=1min和 t FPD=5min处理具有纳米线的聚丙烯超疏水性表面,液滴由CCA蒸发模式转变为Mixed蒸发模式,蒸发通量也出现明显加速拐点。 t FPD=15min和 t FPD=20min处理具有纳米锥的聚丙烯超疏水性表面,在蒸发模式转变时蒸发通量未出现明显拐点,后期蒸发通量加快,达到0.013kg/m 2 s。

  • 图7 蒸发温度30℃和60℃下具有不同纳米织构聚丙烯表面液滴蒸发通量随归一化时间变化曲线

  • Fig.7 Area-average evaporation flux of water droplets at the normalized evaporation duration time on superhydrophobic polypropylene surfaces with different nanotextures at the evaporation temperature of (a) 30℃ and (b) 60℃

  • 等离子体纳米织构化聚丙烯表面能够获得超疏水性能,除了表面具有纳米织构和低表面能外,超疏水性表面的液-气界面容易受外界因素发生失稳, 导致表面浸润状态的转变[21-22],等离子体纳米织构化聚丙烯表面液滴蒸发过程促使了浸润状态转变。处于超疏水Cassie态液滴与具有无序纳米线的聚丙烯表面间存在较多的液-气界面[23],液滴蒸发过程中,纳米织构、气体和液滴间的传热包括两种:①纳米织构与液滴直接传热;②纳米织构先将热量传递给气体,再由空气与液滴传热。在蒸发初期,具有无序纳米线的超疏水性聚丙烯表面的主要传热方式是气体与液滴传热,液滴蒸发速率缓慢,液滴四周的空气传热使液滴表面和底部蒸发均匀,液滴接触半径逐渐变小,接触角不变,液滴保持Cassie态,液滴较长时间处于CCA蒸发模式,随蒸发时间液滴蒸发通量逐步增加。液滴继续蒸发,液滴体积变小,比表面积增大,液滴表面能升高,造成局部无序纳米线润湿增加,液滴转变为Marmur态,聚丙烯表面与液滴直接传热增强,促使液滴蒸发通量增加加快,聚丙烯表面与液滴间气相占比的减少,造成液滴表面的蒸发传质速率相较于液滴底部高,导致液滴接触角降低, 同时液滴接触半径也变小,液滴蒸发模式由CCA模式转变为Mixed模式,蒸发后期液滴转变为Wenzel态,液滴蒸发通量增加进一步加快,导致液滴快速蒸发完毕。

  • FPD处理时间增加,聚丙烯超疏水表面的微观形貌从无序纳米线转变为无序纳米锥结构,纳米织构的间距变小,底部直径变大。具有纳米锥的聚丙烯表面与液滴间气相占比少于具有纳米线的表面, 增加了纳米织构与液滴直接传热,加快了液滴的蒸发速率,造成蒸发初期具有纳米锥面Cassie态液滴的蒸发通量增长较快。纳米锥与液滴直接传热的增加,也会导致液滴底部的蒸发传质速率相较于液滴表面低,造成液滴接触半径减小相对较慢,液滴表面相对较快的蒸发传质速率导致液滴接触角降低,液滴提前转变为Marmur态,蒸发通量增长趋于平稳,液滴CCA模式蒸发时间占比减小,蒸发后期液滴转变为Wenzel态,液滴蒸发通量增加进一步加快,导致液滴快速蒸发完毕,Mixed模式蒸发时间占比增多。具有纳米锥的聚丙烯超疏水性表面的液固界面间大的传热是其在液滴蒸发通量高于具有纳米线的聚丙烯超疏水性表面的原因,液滴蒸发速率的加快缩短了具有纳米锥的聚丙烯超疏水性表面的液滴总蒸发时间。

  • 3 结论

  • 采用等离子体纳米织构化方法制备了具有纳米线和纳米锥的聚丙烯超疏水性表面,液滴在不同纳米织构的超疏水性表面上都依次经历了Cassie态、 Marmur态、Wenzel态,蒸发模式由CCA蒸发模式转变为Mixed蒸发模式,液滴蒸发速度受固-液-气界面接触传热占比影响。在具有纳米线的聚丙烯超疏水性表面,液滴主要以CCA模式蒸发,占主导的液-气界面缓慢传热使液滴表面和底部蒸发均匀,液滴蒸发时间速度较缓。在具有纳米锥的聚丙烯超疏水性表面,液滴主要为Mixed蒸发模式,增大的液-固界面传热加速了液滴的蒸发,总蒸发时间较短。

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  • 基本信息

    中图分类号: TG156;TB114
    文献标识码: A
    DOI: 10.11933/j.issn.1007-9289.20210429001

    基金信息

    国家自然科学基金资助项目(51975086, 52111530043, 51611530706)；
    Supported by National Natural Science Foundation of China (51975086, 52111530043, 51611530706).；

    引用信息

    稿件历史

    收稿日期: 2021-04-29

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