浸没状态下的低压电润湿行为研究

引 言

电润湿是一种通过施加外加电场引起固/液界面润湿性改变的现象[1-3]。近年来，电润湿因其调控的灵活性而被广泛用于微流体[4]、原油开采[5-6]和化工清洁[7-8]等领域，并受到国内外研究人员的广泛关注[9-11]。Kang等[12]根据表面电荷与润湿现象之间关系，将电润湿分为带电表面润湿（EWOC）和介电表面润湿（EWOD）。其原理都是通过外加电场将溶液中的电荷吸引到固-液界面，改变固-液界面张力特性，进而引起接触角的变化。

表面活性剂因其特殊的头尾结构易向界面聚集，可显著降低界面张力[13]，故而也被用于电润湿的研究与应用中，例如用于改变润滑摩擦系数[14]、调节沸腾气泡形核[15]、提高电极表面的除油效率[16]等。并且活性剂的添加可以降低电润湿所需的电压，与传统电润湿的高电压模式(100~1000 V)[17-18]相比避免了高压设备的使用，提升了安全性和经济性。Berry等[11]通过在液相中添加表面活性剂，在EWOD模式下实现了4 V电压下接触角的显著变化，并发现表面活性剂的双亲结构可以有效地降低液滴的界面张力和介电层所需的厚度。Cho等[15]也通过添加离子表面活性剂十二烷基硫酸钠（SDS）和十二烷基三甲基溴化铵（DTAB），在低电压下（<5 V）实现对换热表面沸腾气泡成核行为的调控。

已有研究多采用座滴法（sessile drop）研究表面润湿行为[9-12]，但在热交换器[19]和微流体芯片实验室（lab on chip）[20]等实际应用中，浸没气泡/油滴才是常见的多相流体分布形式，且浸没状态下的气-液、油-液界面行为也会显著影响系统性能（传热性能、摩擦阻力[21]等）。此外，座滴法也更易受蒸发作用影响。相比之下，掳泡法（captive bubble）采用的浸没形式具有显著优势。Hong等[22]就基于掳泡法避免蒸发的影响，研究了接触角滞后性。Dorrer等[23]基于掳泡法研究了水下粗糙亲水表面上的浸没气泡动力学特性，发现水的排斥作用会促使气泡在表面滑移。Moraila等[24]对浸没气泡在亲水表面的润湿状态进行了研究，发现随着亲水表面粗糙度的增加，水在毛细作用下逐渐浸润表面的微观粗糙结构中，浸没气泡的润湿状态由Wenzel状态转变为反Cassie-Baxter状态。

从上述研究可以看到，目前基于低压电场和活性剂耦合条件下的浸没状态气泡/油滴的电湿润研究较少，对浸没状态下的气泡/油滴的低压电润湿行为特性尚不清晰。因此，本文基于掳泡法研究不同离子活性剂溶液中的气泡/油滴在浸没条件下的低压电润湿行为，分析活性剂溶液的浓度与其电润湿特性之间的关系，探讨浸没气泡、油滴形态随电场作用的演变规律。并根据不同极性的活性剂溶液中油滴的电润湿行为，分析电润湿响应下静电力作用对油滴形变的影响。

1 实验部分

1.1 实验材料

本文采用的离子表面活性剂分别为SDS和DTAB，如表1所示。实验中采用了硅油（道康宁公司，黏度为0.485 Pa·s）和去离子水（电导率为0.1 µS/cm）。测试表面为纯度为99%的银片，使用前依次通过碳化硅纸（P7000）抛光和75%乙醇池超声清洗（ZB-0105T）。

表1   本研究中使用的表面活性剂

Table 1  The surfactants used in the study