微通道壁面浸润性对气-液两相流的影响规律研究

引 言

微化工技术以其对化工过程的热质传递性能高、控制能力强[1-3]，尤其对涉及多相体系的传递及反应过程[4-6]，得到了学术界和工业界的广泛认同、重视，经多年发展，其已成为化学工程领域的重要发展方向之一[7-8]。在特征尺寸为亚毫米量级的空间范围内，与重力、惯性力等体积力相比，黏性力、表面张力等面积力对多相流体的影响更显著，即：气-液或液-液两相界面张力、液-固两相表面张力决定了多相流体流动状况[9-10]。

Santos等[11]通过数值模拟研究了接触角对微通道内气泡和液弹形成过程的影响，结果发现，随接触角增大，气-液界面由“凸”向“凹”转变，且亲水通道内的径向速度梯度更大，可促进液弹内的流体混合。Zhou等[12]通过实验和数值模拟发现，接触角可改变流型间的转换线，随接触角增加，亲水通道内的气泡长度增加，疏水通道则相反。Barajas等[13]利用气-液混合装置产生气-液两相混合流体，然后进入四种接触角材质的毛细管，形成气-液两相流，并建立了相应的气-液两相流型图，发现四种通道内的流型图较相似，但同时发现随接触角增大，在气速较快区域，溪状流取代了波浪流，且不同流型间的过渡边界均有明显变化。Wielhorski等[14]以不同液体为连续相，研究了液-固接触角对气泡大小的影响，结果表明，部分润湿情况下的气泡长度与Garstecki模型[15]预测的气-液两相体系差异较大。

为研究表面张力的影响，研究者们多采用添加表面活性剂及更换微通道材质的方法[16-17]，前者主要侧重于定量改变气-液或液-液两相界面张力，由于表面活性剂在通道壁面的吸附/脱附难以定量、吸附/脱附始终处于动态变化中，因此液-固两相表面张力及其对气-液或液-液两相流体流动状况的影响难以定量；后者则侧重于定量改变液-固两相表面张力，但不同材质的通道表面粗糙度等物性参数差异较大，最终导致难以明确液-固两相表面张力对气-液或液-液两相流体流动状况的影响，故有必要对通道壁面性质影响进行深入研究。孙俊杰等[18]用十八烷基硫醇对紫铜板进行改性以提高通道的疏水性，观察到了与亲水性通道不同的气-液两相流型，但十八烷基硫醇与紫铜板间的结合力较弱，实验过程中十八烷基硫醇易流失。Cubaud等[19]采用聚四氟乙烯涂层对硅和玻璃材质的亲水通道进行疏水改性，研究了水、表面活性剂和空气的混合物在亲水和疏水微通道内的气-液两相流动形态，发现了疏水通道内的不稳定流动；Choi等[20]采用十八烷基三氯硅烷对矩形光敏玻璃微通道表面进行疏水处理，发现疏水微通道内的流动状态和亲水微通道差异较大，但玻璃材质微通道存在加工难度较大、成本较高、通道截面形状不规则、操作不便等缺点，因此有必要开发加工难度小、操作简单、成本低、截面形状易控制的微通道，以研究液-固两相表面张力对气-液或液-液两相流体流动状况的影响。

本文以聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）为基材，采用等离子体表面处理+表面紫外线照射接枝聚合技术对PMMA表面进行改性，以获得表面亲/疏水性可控的PMMA材质微通道。以氩气-去离子水为实验体系，深入研究接触角对气-液两相流动状况、气泡形成过程及压力降影响的规律，为微通道反应器的个性化设计提供基本科学数据。

1 实验材料和方法

实验所用微通道芯片由气体及液体稳压区、气-液两相流体接触区、气-液两相流体稳定流动区及出口减压区共五个区域组成，并在聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）板上精密铣削刻出所需微通道的结构及尺寸，其中气体稳压区微通道的尺寸为0.3 mm×0.3 mm，出口减压区微通道为1.0 mm×1.0 mm，其他区域的所有通道均为 0.6 mm×0.6 mm，具体如图1所示。

图1

图1   微通道结构示意图

Fig.1   Schematic diagram of the microchannel structure