肥皂水超疏水特性研究*

馮艦銳 張梓欽 吳秀文 董愛國 郝會(huì)穎

[中國地質(zhì)大學(xué)(北京)數(shù)理學(xué)院 北京 100083]

1 引言

超疏水材料的基礎(chǔ)原理蓮花效應(yīng)是20世紀(jì)70年代由波恩大學(xué)的植物學(xué)家巴特洛特在研究植物葉子表面時(shí)發(fā)現(xiàn)的，即蓮花表面因具有粗糙的微納米結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生的超疏水性，滴落在蓮葉表面的水滴與蓮葉形成的接觸角大于150°，于是液滴會(huì)因?yàn)楸砻鎻埩Φ淖饔眯纬深愃朴谇蝮w的水珠. 自超疏水材料的誕生以來，人們已經(jīng)將其應(yīng)用到電子產(chǎn)業(yè)，醫(yī)療衛(wèi)生，建筑業(yè)等各種領(lǐng)域．近年來，超疏水材料在防污、防腐和防凍等方面的應(yīng)用使該類材料的研究成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問題之一[1].

常見的超疏水材料通常都是固體材料[1，2]，但是在特殊條件下，某些液體也可以具有超疏水特點(diǎn). 例如，粘稠的液體在豎直振動(dòng)時(shí)，其表面表現(xiàn)出超疏水特點(diǎn)，使其同成分液滴能夠在液體表面停留很長(zhǎng)時(shí)間[3]. 目前，基于該方面的超疏水機(jī)理的研究已有幾十年，但基于液體表面在振動(dòng)條件下的超疏水性能的實(shí)驗(yàn)研究并不多[4].

本研究以肥皂水為例，以揚(yáng)聲器為振源，從實(shí)驗(yàn)角度對(duì)肥皂水表面在振動(dòng)狀態(tài)下的超疏水性能進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究，并對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行了分析.

2 實(shí)驗(yàn)部分

本實(shí)驗(yàn)裝置包括SG1646A信號(hào)發(fā)生器，揚(yáng)聲器(振源)，培養(yǎng)皿，肥皂水.

具體實(shí)驗(yàn)過程為：配置不同濃度的肥皂水，并取20 ml移入培養(yǎng)皿中.調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器，記錄所示頻率，測(cè)量并記錄肥皂水的表面張力.而后，用針管汲取同濃度肥皂水并滴入至培養(yǎng)皿中的肥皂水表面，觀察并記錄液滴在液面上所形成的穩(wěn)定水珠最大停留時(shí)間.本研究對(duì)處于振動(dòng)狀態(tài)的肥皂水超疏水性質(zhì)是通過其上所形成的穩(wěn)定水珠最大停留時(shí)間來評(píng)價(jià).

表面張力系數(shù)的測(cè)量采用扭秤測(cè)量法[5]，如圖1所示.

圖1 扭秤

用游標(biāo)卡尺測(cè)量П型絲的長(zhǎng)度L，升高托盤，將П型絲浸入水中，轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕將水膜拉起，在水膜即將被拉斷的瞬間記下h和β，重復(fù)該過程8～10次，取平均值. 通過對(duì)數(shù)據(jù)的擬合，得到表面張力與β的關(guān)系

F(β)=0.617β-27.76

(1)

3 結(jié)果與討論

3.1 肥皂水濃度對(duì)其臨界超疏水振動(dòng)頻率的影響

圖2給出在肥皂水表面能夠形成穩(wěn)定水珠所需的最小振動(dòng)頻率與肥皂水濃度關(guān)系曲線.由圖2(a)可見，當(dāng)肥皂水濃度由0.025 mol/L增加到0.25 mol/L時(shí)，形成穩(wěn)定水珠所需的最小振動(dòng)頻率約在30.7～31.6 Hz范圍內(nèi)變化，但未發(fā)現(xiàn)明顯的變化規(guī)律；而當(dāng)肥皂水濃度由0.0增加到0.025 mol/L時(shí)，形成穩(wěn)定水珠所需的最小振動(dòng)頻率由38.0 Hz下降至30.8 Hz，并且在低濃度(0.0～0.005 mol/L)情況下隨肥皂水濃度增加，在其表面形成穩(wěn)定水珠所需最小振動(dòng)頻率急劇下降，而當(dāng)肥皂水濃度高于0.005 mol/L后，在其表面形成穩(wěn)定水珠所需最小振動(dòng)頻率變化趨于平緩.

圖2 產(chǎn)生穩(wěn)定水珠的最小振動(dòng)頻率與肥皂水濃度關(guān)系曲線

3.2 振動(dòng)頻率對(duì)肥皂水表面超疏水規(guī)律的影響

圖3是在肥皂水表面穩(wěn)定水珠最大停留時(shí)間對(duì)振動(dòng)頻率關(guān)系曲線. 該過程肥皂水濃度為0.03 mol/L. 在振動(dòng)頻率f≤60 Hz時(shí)，在肥皂水表面穩(wěn)定水珠最大停留時(shí)間很短，且隨著振動(dòng)頻率的增大沒有明顯變化；但當(dāng)振動(dòng)頻率由60 Hz增加至85 Hz時(shí)，在肥皂水表面穩(wěn)定水珠最大停留時(shí)間由5 s激增至84 s.

圖3 穩(wěn)定水珠最大停留時(shí)間對(duì)振動(dòng)頻率關(guān)系曲線

為了進(jìn)一步研究產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因，測(cè)量了肥皂水表面張力系數(shù)隨振動(dòng)頻率的變化規(guī)律(圖4). 當(dāng)振動(dòng)頻率從零增加到50 Hz時(shí)，表面張力系數(shù)從147.6 N/m增加到227.2 N/m. 這表明隨著振動(dòng)頻率增加，水珠在液面上最大停留時(shí)間變長(zhǎng)是因?yàn)檎駝?dòng)頻率增加使得液面張力增大所致. 對(duì)肥皂水表面張力系數(shù)隨振動(dòng)頻率變化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次方擬合得到如下關(guān)系方程

α=152.95+0.036f2

(2)

圖4 肥皂水表面張力系數(shù)隨振動(dòng)頻率的變化曲線

4 結(jié)論

肥皂水在振動(dòng)條件下，具有超疏水特性. 當(dāng)肥皂水濃度由0.025 mol/L增加到0.25 mol/L時(shí)，形成穩(wěn)定水珠所需的最小振動(dòng)頻率約在30.7 Hz～31.6 Hz范圍內(nèi)變化，但未發(fā)現(xiàn)明顯的變化規(guī)律. 在振動(dòng)頻率f≤60 Hz時(shí)，在肥皂水表面穩(wěn)定水珠最大停留時(shí)間很短，且隨著振動(dòng)頻率的增大沒有明顯變化；但當(dāng)振動(dòng)頻率由60 Hz增加至85 Hz時(shí)，在肥皂水表面穩(wěn)定水珠最大停留時(shí)間由5 s激增至84 s.

參 考 文 獻(xiàn)

1 Zhang M,Feng S,Wang L,et al.Lotus effect in wetting and self cleaning.Biotribology,2016(5)：31～43

2 范細(xì)秋，趙曉棟，張鴻海. 具有“荷葉效應(yīng)”的硅基仿生表面的制備及微摩擦性能. 納米技術(shù)與精密工程，2010，8(4)：300～306

3 Couder Y,Fort E,Gautier C-H,et al.From bouncing to floating:noncoalescence of drops on a fluid bath.Physical Review Letters,2005,94(17):0031～9007

4 Gilet T,Bush J W M.The fluid trampoline:droplets bouncing on a soap film.Journal of Fluid Mechanics,2009,625：167～203

5 周惟公,等.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)(第二版). 北京：高等教育出版社，2014