納秒激光加工微孔陣列鋁膜的潤濕性的實驗及模擬
發(fā)布時間：2022-01-07 01:35
潤濕性與固體材料表面的微觀幾何結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)組成密切相關(guān),是固體材料表面的一個重要特性體現(xiàn)。文章用實驗和仿真的方式研究了雙面超親水和雙面超疏水表面的潤濕特性。首先采用納秒激光鉆孔技術(shù)在厚度為35μm的鋁箔上加工微孔陣列,得到了雙面超親水鋁膜表面;然后將鋁膜在十七氟癸基三乙氧基硅烷（PFDTES）浸泡20h,鋁膜從雙面超親水表面改性為雙面超疏水表面;研究了改性前后鋁膜的液滴滲透情況。用COMSOL Multiphysics中的兩相流分析模塊研究了基于雙面超親水和雙面超疏水狀態(tài)下的微孔通道內(nèi)的水滲透過程,仿真結(jié)果和實驗結(jié)果基本一致,對實驗起指導(dǎo)作用。
【文章來源】：光學(xué)技術(shù). 2020,46(04)北大核心CSCD
【文章頁數(shù)】：6 頁
【部分圖文】：
納秒激光加工系統(tǒng)模型圖
實驗中采用納秒激光鉆孔法制備了微孔陣列鋁膜,將鋁膜平鋪固定在玻璃片上進行加工,為了更好的區(qū)分鋁膜的兩側(cè),將激光入射面稱之為底部,將相反面稱之為頂部。鋁箔表面微孔形貌通過場發(fā)射掃描電子顯微鏡來表征。圖2顯示納秒激光在加工功率為20mw,間距150μm,加工數(shù)目3次鋁膜的底部的場發(fā)射掃描電子顯微鏡(JSM-6700F,JEOL,Tokyo,Japan;SEM)圖像,底部孔徑40.87μm,頂部孔徑34.47μm,可以看出微孔陣列在底層上呈現(xiàn)出規(guī)則的微孔陣列。4μL水在未加工平滑鋁箔表面的接觸角約為75.9°,如圖3(a)所示。用接觸角系統(tǒng)并結(jié)合視頻錄制,借助ImageJ軟件在加工后的鋁膜表面滴加4μL水滴3次獲得平均值,測得水的的接觸角。實驗結(jié)果表明激光加工后的鋁箔底部與頂部表面均表現(xiàn)出超親水性,頂部接觸角為8°,如圖3(b)所示。隨后又用疏水性試劑配比為1.0%的十七氟癸基三乙氧基硅烷(PFDTES)[13]乙醇溶液中浸泡20h進行修飾,待其從溶液中取出晾干后得到雙面超疏水鋁膜,測得其頂部接觸角約為153.6°,如圖3(c)所示。由于納秒激光鉆孔燒蝕鋁箔,表面會附著其濺射的粗糙結(jié)構(gòu)顆粒,經(jīng)過化學(xué)改性處理降低材料的表面能,從而具備超疏水的特性。
4μL水在未加工平滑鋁箔表面的接觸角約為75.9°,如圖3(a)所示。用接觸角系統(tǒng)并結(jié)合視頻錄制,借助ImageJ軟件在加工后的鋁膜表面滴加4μL水滴3次獲得平均值,測得水的的接觸角。實驗結(jié)果表明激光加工后的鋁箔底部與頂部表面均表現(xiàn)出超親水性,頂部接觸角為8°,如圖3(b)所示。隨后又用疏水性試劑配比為1.0%的十七氟癸基三乙氧基硅烷(PFDTES)[13]乙醇溶液中浸泡20h進行修飾,待其從溶液中取出晾干后得到雙面超疏水鋁膜,測得其頂部接觸角約為153.6°,如圖3(c)所示。由于納秒激光鉆孔燒蝕鋁箔,表面會附著其濺射的粗糙結(jié)構(gòu)顆粒,經(jīng)過化學(xué)改性處理降低材料的表面能,從而具備超疏水的特性。實驗中對兩種不同潤濕性的鋁膜在測其接觸角后進行了液滴滲透實驗,將鋁膜頂部置于上層。從側(cè)面角度分析雙面超親水鋁膜的液滴滲透動態(tài)過程。首先將雙面超親水的鋁膜平整固定,在其上方擠壓注射器中的水。剛開始液滴滴在鋁膜上,由于膜表面的超親水性,液滴呈鋪展狀態(tài),被表面微結(jié)構(gòu)和微孔陣列所捕獲,鋁膜上表面將形成一層水膜,與鋁膜下表面相通,液滴迅速被膜完全吸收。隨著液滴的持續(xù)注入,鋁膜吸收的液滴由于受到重力的影響,逐漸向下表面滲透,圖4(b)～(h)狀態(tài)液滴呈向下的凸面球冠狀。當越來越多的液滴注入鋁膜的上表面,液滴向下凸起越明顯。最終當液滴重力大于液滴與鋁膜下表面間的粘附力(表面能和表面張力)時, 液滴以一個大的凸面球冠狀脫離鋁膜下表面。實驗結(jié)果表明雙面超親水的鋁膜液滴可以從頂部滲透到底部,實現(xiàn)了雙面超親水鋁膜的液滴滲透過程,如圖4所示。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]激光制備超疏水表面研究進展[J]. 楊煥,曹宇,李峰平,薛偉. 光電工程. 2017(12)
[2]納秒激光誘導(dǎo)鋁板表面超疏水微納結(jié)構(gòu)[J]. 楊奇彪,劉少軍,汪于濤,汪幸,陳列,鄭重,婁德元,陶青,翟中生,Peter Bennett,劉頓. 激光與光電子學(xué)進展. 2017(09)
[3]基于流動聚焦結(jié)構(gòu)的微液滴形成機理[J]. 楊麗,周圍,王學(xué)浩,程景萌,王媛媛,張思祥. 微納電子技術(shù). 2015(09)
[4]W/O液滴繞流微柱陣列的數(shù)值模擬研究[J]. 崔海航,馮換春,許琳,張鴻雁. 應(yīng)用力學(xué)學(xué)報. 2015(01)
[5]仿生智能浸潤性表面研究的新進展[J]. 杜晨光,夏帆,王樹濤,王京霞,宋延林,江雷. 高等學(xué)�；瘜W(xué)學(xué)報. 2010(03)
本文編號：3573547
【文章來源】：光學(xué)技術(shù). 2020,46(04)北大核心CSCD
【文章頁數(shù)】：6 頁
【部分圖文】：
納秒激光加工系統(tǒng)模型圖
實驗中采用納秒激光鉆孔法制備了微孔陣列鋁膜,將鋁膜平鋪固定在玻璃片上進行加工,為了更好的區(qū)分鋁膜的兩側(cè),將激光入射面稱之為底部,將相反面稱之為頂部。鋁箔表面微孔形貌通過場發(fā)射掃描電子顯微鏡來表征。圖2顯示納秒激光在加工功率為20mw,間距150μm,加工數(shù)目3次鋁膜的底部的場發(fā)射掃描電子顯微鏡(JSM-6700F,JEOL,Tokyo,Japan;SEM)圖像,底部孔徑40.87μm,頂部孔徑34.47μm,可以看出微孔陣列在底層上呈現(xiàn)出規(guī)則的微孔陣列。4μL水在未加工平滑鋁箔表面的接觸角約為75.9°,如圖3(a)所示。用接觸角系統(tǒng)并結(jié)合視頻錄制,借助ImageJ軟件在加工后的鋁膜表面滴加4μL水滴3次獲得平均值,測得水的的接觸角。實驗結(jié)果表明激光加工后的鋁箔底部與頂部表面均表現(xiàn)出超親水性,頂部接觸角為8°,如圖3(b)所示。隨后又用疏水性試劑配比為1.0%的十七氟癸基三乙氧基硅烷(PFDTES)[13]乙醇溶液中浸泡20h進行修飾,待其從溶液中取出晾干后得到雙面超疏水鋁膜,測得其頂部接觸角約為153.6°,如圖3(c)所示。由于納秒激光鉆孔燒蝕鋁箔,表面會附著其濺射的粗糙結(jié)構(gòu)顆粒,經(jīng)過化學(xué)改性處理降低材料的表面能,從而具備超疏水的特性。
4μL水在未加工平滑鋁箔表面的接觸角約為75.9°,如圖3(a)所示。用接觸角系統(tǒng)并結(jié)合視頻錄制,借助ImageJ軟件在加工后的鋁膜表面滴加4μL水滴3次獲得平均值,測得水的的接觸角。實驗結(jié)果表明激光加工后的鋁箔底部與頂部表面均表現(xiàn)出超親水性,頂部接觸角為8°,如圖3(b)所示。隨后又用疏水性試劑配比為1.0%的十七氟癸基三乙氧基硅烷(PFDTES)[13]乙醇溶液中浸泡20h進行修飾,待其從溶液中取出晾干后得到雙面超疏水鋁膜,測得其頂部接觸角約為153.6°,如圖3(c)所示。由于納秒激光鉆孔燒蝕鋁箔,表面會附著其濺射的粗糙結(jié)構(gòu)顆粒,經(jīng)過化學(xué)改性處理降低材料的表面能,從而具備超疏水的特性。實驗中對兩種不同潤濕性的鋁膜在測其接觸角后進行了液滴滲透實驗,將鋁膜頂部置于上層。從側(cè)面角度分析雙面超親水鋁膜的液滴滲透動態(tài)過程。首先將雙面超親水的鋁膜平整固定,在其上方擠壓注射器中的水。剛開始液滴滴在鋁膜上,由于膜表面的超親水性,液滴呈鋪展狀態(tài),被表面微結(jié)構(gòu)和微孔陣列所捕獲,鋁膜上表面將形成一層水膜,與鋁膜下表面相通,液滴迅速被膜完全吸收。隨著液滴的持續(xù)注入,鋁膜吸收的液滴由于受到重力的影響,逐漸向下表面滲透,圖4(b)～(h)狀態(tài)液滴呈向下的凸面球冠狀。當越來越多的液滴注入鋁膜的上表面,液滴向下凸起越明顯。最終當液滴重力大于液滴與鋁膜下表面間的粘附力(表面能和表面張力)時, 液滴以一個大的凸面球冠狀脫離鋁膜下表面。實驗結(jié)果表明雙面超親水的鋁膜液滴可以從頂部滲透到底部,實現(xiàn)了雙面超親水鋁膜的液滴滲透過程,如圖4所示。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]激光制備超疏水表面研究進展[J]. 楊煥,曹宇,李峰平,薛偉. 光電工程. 2017(12)
[2]納秒激光誘導(dǎo)鋁板表面超疏水微納結(jié)構(gòu)[J]. 楊奇彪,劉少軍,汪于濤,汪幸,陳列,鄭重,婁德元,陶青,翟中生,Peter Bennett,劉頓. 激光與光電子學(xué)進展. 2017(09)
[3]基于流動聚焦結(jié)構(gòu)的微液滴形成機理[J]. 楊麗,周圍,王學(xué)浩,程景萌,王媛媛,張思祥. 微納電子技術(shù). 2015(09)
[4]W/O液滴繞流微柱陣列的數(shù)值模擬研究[J]. 崔海航,馮換春,許琳,張鴻雁. 應(yīng)用力學(xué)學(xué)報. 2015(01)
[5]仿生智能浸潤性表面研究的新進展[J]. 杜晨光,夏帆,王樹濤,王京霞,宋延林,江雷. 高等學(xué)�；瘜W(xué)學(xué)報. 2010(03)
本文編號：3573547
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