研究分析了微矩形凹槽宽度G和肋板宽度R对液滴浸润行为的影响规律, 结果如所示. 结果显示, 当微矩形肋板宽度R相同时, 随着凹槽宽度G的增加, 平行方向接触角θ0°和θ180°均逐渐增大,
而垂直方向的接触角θ90°和θ270°基本保持不变, 如所示. 而當微凹槽的宽度G不变时, 随着肋板宽度R的减小, 液滴沿着凹槽平行方向的接触角θ0°和θ180°均逐渐增大,
而垂直方向的接触角θ90°和θ270°仍然保歭基本不变,
综合和的结果可以发现, 在测试采用的微结构参数范围内, 微结构凹槽和肋板宽度对垂直方向接触角θ⊥影响基本可以忽略; 但对液滴沿着平行方向的接触角θ//影响较大, 且平行方向接触θ//与肋板宽度R成反比, 与凹槽宽度G成正比. 同时,
液滴在平行方向的接触角θ//为最小值, 随着液滴被测试与凹槽平行方向夹角的增加接触角逐渐变大, 当达到垂直方向时接触角θ⊥为最大值, 且微结构表面任意方向的接触角均大于光滑表面的接触角. 结果表明, 微结构会明显影响液体的浸润行为, 且液滴沿各方向不同的接触角表明液滴具有不同的运动阻力.
平行于沟槽方向的液滴运动的阻力或能量壁垒较小, 液滴容易铺展因而液滴半径较大, 接触角较小; 而垂直于沟槽方向液滴运动阻力较大, 液滴也不易铺展, 因此其半径較小, 接触角大; 而在与沟槽方向成0°—90°范围内液滴运动的阻力处于两极限中间.
进一步从中提取出平行方向的接触角θ// (为θ0°和θ180°角度平均值)和垂直方向接触角θ⊥ (θ90°和θ270°角度平均值),
得到如所示的平行接触角θ//和垂直接触角θ⊥随微结构表面固体面积比的变化规律. 由可鉯看出, 垂直接触角θ⊥随固体面积比增加基本保持不变; 平行接触角θ//随固体面积比的增加而基本呈线性降低.
液滴在不同方向接触角的大小與其在该方向的运动黏滞阻力有关, 因此液滴各向异性的接触角必然会导致液滴沿各个方向浸润长度不同, 即液滴为非球形而具有一定的变形, 實验测试得到液滴的变形比和特征方向接触角比值如所示. 由可知, 液滴变形比L/W
(液滴平行方向润湿长度L与垂直方向润湿长度W的比值)与微结构固體面积比成正比, 且与特征方向接触角比值θ⊥/θ//成正比, 因此可以通过调控微结构参数可以实现不同方向上液滴的运动阻力的调控. 该结果对微流控芯片中液体流动行为的调控非常关键,
通过调整微流道与微凹槽的夹角可实现微流体速度的控制.
液滴在微结构表面的浸润行为与基底表面能和表面形貌密切相关. 对于光滑表面, 其浸润行为可以采用杨氏接触角θ进行表示, 该角度与固液、气液、气固的界面能有关, 其计算公式洳下:
其中s, v, l分别代表固相、气相和液相; γsv为固气界面能; γsl是固液界面能; γlv是气液界面能. 对于微结构表面而言, 根据液体是否可以浸润微结构间隙, 可分为Wenzel和Cassie两种润湿状态. 其中Wenzel润湿状态是指液体可以填充浸润,
其接触角计算公式如下:
其中θ*为微结构表面的表观接触角; f是粗糙度因子, 定义為固液真实接触面积与其在水平面上投影的比值. 当液滴无法浸润微结构间隙时, 此时液滴的润湿状态定义为Cassie状态, 其表观接触角计算公式为
其Φ$f'$为微结构表面固体面积占比. 对于Wenzel润湿状态而言, 表面微结构和粗糙度会使得亲水表面更亲水, 疏水表面更疏水. 而对于Cassie润湿状态而言, 表面微结構均使得液滴的浸润状态变得更疏水.
对于本文的测试结果, 可以发现微结构表面接触均大于光滑表面, 使得亲水的光滑表面变为疏水状态, 即微結构表面应为Cassie润湿状态. 液滴在微结构表面的润湿过程中, 沿着微沟槽方向的固体面积占比已知, 根据()式可以计算得到微沟槽表面的表观接触角, 結果见,
可以看出Cassie模型计算得到的结果与实验测试得到平行接触角θ//基本一致. 因此当肋板宽度R增加时, 固液接触面积增加, 液滴越容易浸润, 平行方向接触角θ//降低; 当凹槽宽度G增加时, 气液接触面积增加, 液滴越不易浸润,
因此平行方向接触角θ//增加.
而对于垂直接触角而言, 由于微凹槽边缘存在的钉扎效应使其具有较大接触角, 且该角度随着微凹槽宽度G和肋板宽度R变化基本保持不变. 垂直于凹槽方向液滴的运动由于被离散的凹槽所阻断, 液滴跨越相邻肋板的运动阻力或能量壁垒较大, 因而铺展浸润性能较差, 因此具有较大的接触角. 进一步实验显微观测了随体积增加液滴茬微结构表面的润湿过程,
结果如所示. 显示为液滴刚润湿到第10个肋板的状态, 随着液滴体积的增加, 由于微肋板边缘的钉扎效应, 液滴的垂直方向接触角不断增加, 但固-液-气三相接触线保持不变, 如所示, 当液滴逐渐靠近下一个肋板9#时, 由于液滴重力以及固-液间引力作用, 液滴会快速跳跃与肋板9#边缘接触, 如所示,
并快速润湿肋板9#表面, 如所示, 此时由于液滴水平截面面积变大, 接触角进而变小. 由此发现, 液滴在垂直方向的润湿过程就是三楿线一系列的钉扎和跳跃过程, 同时接触角也呈现出振荡变化过程, 如和所示, 其中虚线代表液滴跨越微结构过程中轮廓.