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電場強(qiáng)度大小對表面張力、液滴鋪展變形運(yùn)動的影響
來源：電力科學(xué)與工程 瀏覽 1602 次 發(fā)布時間:2024-09-09
微流控技術(shù)廣泛應(yīng)用于微電子、生物工程和納米技術(shù)領(lǐng)域，液滴運(yùn)動與控制是其中極為重要的方面，而表面張力是影響、甚至是控制微納尺寸下液滴鋪展與變形運(yùn)動的關(guān)鍵因素。在電場作用下，電介質(zhì)液體所含帶電粒子在界面處的聚集或排斥作用在宏觀上改變了液滴表面張力，進(jìn)而影響微液滴的運(yùn)動、變形、分裂及聚并等行為。因此，深入研究電場作用下表面張力對液滴鋪展運(yùn)動特征的影響具有重要意義。
Schmid等通過觀察漂浮于氣水交界面上的云母片，受到靜電場作用時產(chǎn)生的運(yùn)動距離變化研究了電場對表面張力的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電場強(qiáng)度為6.7 kV/cm時，NaCl溶液的表面張力降低；但Damm對Schmid所得結(jié)果提出質(zhì)疑，認(rèn)為NaCl溶液表面張力的改變應(yīng)歸因于電極附近的雜散電場(Stray field)。Hayes采用波紋方法測量了平行電極板間氣液界面處表面張力，認(rèn)為在實驗誤差范圍內(nèi)，場強(qiáng)達(dá)10.4 kV/cm的電場對純水和10%NaCl溶液的表面張力并無明顯影響，但因?qū)嶒灢淮_定性較大，結(jié)論可信度有限；另外，Hayes基于熱力學(xué)理論，推斷液體表面和內(nèi)部的壓差致使表面張力增大，并與電場強(qiáng)度平方成比例。目前，采用實驗直接測量表面張力研究電場對溶液表面張力的影響，限于實驗精度和實驗設(shè)計等原因，所得結(jié)論尚不統(tǒng)一。
相對采用實驗直接測量電場對表面張力的影響，間接測量方法中取得許多積極成果，并涌現(xiàn)出多種新的測量方法?；谝旱沃亓糠?，Watanabe等測量了水油界面張力，發(fā)現(xiàn)增大電場強(qiáng)度可降低表面張力，而改變電場極性并不影響表面張力。類似地，Morimoto和Saheki測量了真空中油滴的表面張力，指出油滴質(zhì)量隨電場強(qiáng)度增大而減小，并給出表面張力與電荷間的關(guān)系；他們認(rèn)為電場力和表面電荷是促使表面張力降低的原因。Sato等采用振蕩射流法，向平行電極板中噴射液滴進(jìn)而測量了表面張力變化，通過對多種液體的比較發(fā)現(xiàn)，除液體自身物理性質(zhì)外，外加電場對其表面張力也有影響，當(dāng)電導(dǎo)率>10-2S/m時，表面張力與電壓平方成反比，并推測液體表面存在的表面電荷是表面張力降低的原因。上述實驗結(jié)果均表明氣液界面上的表面張力隨電場強(qiáng)度增大而減小。然而，采用軸對稱液滴形狀分析法的Bateni等則得到與Sato等相反的結(jié)果，認(rèn)為電場促使液滴表面張力增大。而對于外加電場對表面張力影響的理論研究報道較少。Liggieri等通過理論分析，認(rèn)為靜電場中表面無自由電荷時液體表面張力的變化與受磁場作用時相似，場強(qiáng)較小時的影響極小，只有電場場強(qiáng)極大時才能在實驗中檢測到表面張力變化。
上述研究表明，電場強(qiáng)度對表面張力的影響大致分為表面張力隨電場強(qiáng)度提高而減小、增大和不變等三種情形。而目前對于受電場作用時的液滴運(yùn)動的理論研究中，均假設(shè)表面張力不受電場影響，即表面張力不變，進(jìn)而模擬其運(yùn)動特征；這顯然與上述多數(shù)實驗所得結(jié)論明顯不符，也不能準(zhǔn)確反映電場對液滴運(yùn)動的影響。為此，本文基于實驗研究結(jié)果，建立表面張力與電場強(qiáng)度間的關(guān)系式，推導(dǎo)電場作用下描述液滴運(yùn)動過程的演化方程，采用數(shù)值模擬獲得不同電場情形下的液滴運(yùn)動行為，進(jìn)而分析因電場作用帶來的表面張力變化對液滴運(yùn)動特征的影響。
圖1平整基底上液滴的鋪展示意圖
結(jié)論
(1)兩極板間的液滴鋪展過程與不同類型電勢的作用密切相關(guān)，因電場作用改變的表面張力對液滴運(yùn)動過程的影響總趨勢大體相同，但最大液膜厚度hmax和鋪展半徑xd的變化速率明顯不同。施加均勻電勢和線性電勢時，均不改變液滴鋪展的拋物線外形，但當(dāng)表面張力受到電場影響而變化時，隨比例系數(shù)α增大，施加均勻電勢時，最大液膜厚度hmax減小，鋪展半徑xd增大，液滴鋪展進(jìn)程加快；施加線性電勢時最大液膜厚度hmax先減小后略有增大，鋪展半徑xd增大。上述情況產(chǎn)生原因可歸結(jié)于，表面張力的變化改變了液滴表面電荷分布，對液滴鋪展造成的影響。
(2)施加非線性電勢Φ=Acos(kx)和Φ=1+e-x2/2時，隨比例系數(shù)α增大，最大液膜厚度hmax減小，鋪展半徑xd增大外，液膜中心出現(xiàn)的凹坑時間也隨之變長，延緩鋪展進(jìn)程，減小破斷的可能性；而且通過施加合適的指數(shù)形式電勢時，可控制液滴的破裂過程。對于文中討論的4種類型電勢，提高電場強(qiáng)度，液滴鋪展過程中hmax與xd相對于表面張力不受電場影響時所產(chǎn)生的變化量增大。液滴運(yùn)動過程，受表面張力變化影響最大的是線性電勢，最小的為指數(shù)電勢。