穩態磁場對液體潤濕角的影響

曹 洋,郭 銳,何盛亞,李傳軍,玄偉東,王 江,任忠鳴

(1.上海大學省部共建高品質特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室,上海200444;2.上海大學上海市鋼鐵冶金新技術開發應用重點實驗室,上海200444;3.上海大學材料科學與工程學院,上海200444)

近幾十年來,隨著超導技術的發展,穩態強磁場廣泛應用于材料加工制備過程[1].材料電磁制備技術也已經發展成為一門涉及磁流體力學、冶金工程、材料科學等基礎學科的綜合交叉學科.強磁場能夠無接觸地將高密度的能量輸送到目標體系中,影響材料的熱力學狀態及動力學過程,從而改變材料的物理化學性質.Hosoda等[2]發現,在10 T磁場下水的折射率明顯提高,而飽和水溶液則呈現相反的結果.Cai等[3]研究發現磁場下水的表面張力降低,而黏度隨著磁化時間的增加而升高.Iwasaka等[4]在14 T磁場下利用近紅外分光光度計觀察葡萄糖溶液,發現磁場明顯影響葡萄糖分子的水合作用.此外,研究發現液體的PH值、表面張力和黏度均會受到磁場的作用而發生改變[5-7].上述研究證實了磁場作用下材料的理化特性會產生不同程度的變化.

潤濕現象普遍存在于生產生活之中,例如,污染物防控、印刷、薄膜制備等領域[8],因此研究液體潤濕性能的變化具有重要的理論和實際意義.液體的潤濕角是表征潤濕性能的一個重要參數.研究表明磁場的作用能夠改變液體的潤濕角.Pang等[9]研究發現,弱磁場作用下水在銅表面和石墨表面的潤濕角均有所減小.Otsuka等[10]發現磁場下去離子水在聚四氟乙烯表面潤濕角從65?減小到57.5?.雖然這些研究初步證實了磁場下液體的潤濕性能會發生變化,但是這一現象的物理本質仍然沒有澄清.

因此,本工作利用潤濕角測量儀測量了磁場下去離子水以及甘油在有機玻璃表面的潤濕角變化,并探討磁場下去離子水和甘油潤濕性變化的原因.

1 實驗方法

1.1 實驗裝置

穩態強磁場由超導磁體產生,磁體工作內徑為100 mm,磁場強度可在0～8 T之間調節.穩態強磁場下潤濕角測量儀的結構如圖1所示.由圖可知,測量裝置主要包括3個部分:液滴進樣系統、溫度監測系統以及圖像采集系統,其中圖像采集系統相關電子元器件遠離磁場區域,以避免磁場對電子元器件及實驗測量結果的影響.液滴通過進樣系統滴在基板上,基板下面的T型熱電偶可監控液滴的溫度.為了避免空氣流動對液滴形狀的影響,采用有機玻璃罩覆蓋液滴所在的玻璃底座.實驗時,液滴處于穩態磁場的中心區域.

1.2 實驗材料及過程

實驗中使用的兩種液體為去離子水(10 M?·cm)和甘油(質量分數>99.5%).實驗采用基板為有機玻璃(聚甲基丙烯酸甲酯),具有良好的化學穩定性,并且兩種液體對有機玻璃潤濕性能均為中等,有利于實驗中更清楚地觀察磁場下液滴潤濕角的變化.

考慮到液滴的潤濕角容易受基板表面雜質及其他污染物的干擾,為了保證實驗中基板表面潔凈,有機玻璃表面在實驗前分別用酒精和去離子水超聲清洗30 min,之后再用去離子水沖洗,最后在真空干燥箱干燥.

液體滴落在基板表面形成球冠狀液滴,體積約為15μL.采用圖像采集系統獲取液滴的形態.實驗中當液滴形狀在有機玻璃表面穩定靜止后,開始采集液滴形狀圖片.每次快速采集6張液滴形狀圖片,采集間隔為30 s,相同條件下重復實驗5次.考慮到溫度波動對材料的潤濕性能具有明顯的影響[11],將銅片鑲嵌在實驗基板下方并與熱電偶連接,目的是利用銅的良好導熱性均勻化基板及液滴溫度,避免溫度波動影響實驗結果.實驗中液滴溫度為24.1±0.3?C.

1.3 潤濕角測量

采用Stalder等[12]開發的液滴對稱形狀分析法擬合液滴形狀并獲得潤濕角,如圖2所示.

圖1 穩態磁場下潤濕角測量裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus for wetting angle measurement in steady magnetic f i eld

圖2 液滴法測量潤濕角示意圖Fig.2 Schematic diagram of wetting angle measurement by sessile drop method

2 結果與討論

圖3是去離子水和甘油在有機玻璃表面的潤濕角隨磁場強度的變化曲線.可以看出,隨著磁場強度的增加,去離子水和甘油的潤濕角均逐漸減小.去離子水和甘油在不同磁場強度下的潤濕角如表1所示.由表1可知:當磁場強度從0增加到5 T時,去離子水的潤濕角從79.4?減小到70.8?,減小幅度達10.8%;甘油的潤濕角由60.8?下降到58.3?,下降幅度為4.0%.這表明磁場作用下去離子水和甘油在有機玻璃表面的潤濕性能均得到了提升.

圖3 去離子水和甘油的潤濕角隨磁場強度的變化Fig.3 Variation of the wetting angles of deionized water and glycerol with magnetic field intensity

表1 去離子水和甘油在不同磁場強度下的潤濕角Table 1 Wetting angles of deionized water and glycerol at different magnetic f i eld intensities

潤濕角容易受各種因素的影響,因此有必要分析各種因素對潤濕角測量可能造成的偏差.首先,液滴重力可能會對潤濕角產生一定的影響.Sasges等[13]采用氣泡法測量了液體在不同高度時的潤濕角,發現潤濕角在不同高度存在差異,他們指出這是由于重力的作用影響了潤濕角測量結果.采用液滴法測量潤濕角,重力可能會對液滴形狀產生影響,從而影響潤濕角的測量結果.重力對于液滴形狀的影響主要源于三相交界處的“線張力(line tension)”,但是“線張力”對液滴潤濕角的影響只有在液滴非常微小的時候才會有所體現,而在宏觀條件下測量液滴潤濕角時的影響很小,可以忽略不計[8,14].Taylor等[15]測量了不同體積的水滴在固體表面的潤濕角大小,通過大量的實驗對比,發現體積為100 pL和2μL的水滴在固體表面的潤濕角大小基本一致.Ems等[16]測量了體積為5～50μL的液滴在同種基體材料表面的潤濕角大小,發現液滴潤濕角均沒有明顯的差異.由此可見,重力的作用對于液滴法測量潤濕角的影響極小.實驗中液滴的體積約為15μL,因此重力對潤濕角測量產生的誤差可以忽略不計.

另外,液滴的揮發會對液滴潤濕角測量產生影響[17].研究表明,磁場會促進水的揮發,且揮發速率與磁場梯度有直接關聯[18].為了驗證均勻磁場是否會影響液滴的揮發進而影響潤濕角,比較同一條件下潤濕角隨時間的變化關系,結果如圖4所示.可以看出,兩種液體的潤濕角均在很小的范圍內波動,即基本保持穩定.這種波動部分源于軟件測量潤濕角時產生.因此,本實驗并未觀察到均勻磁場促進液滴揮發,因而不會對潤濕角測量帶來影響.此外,實驗過程液滴處于封閉的環境,沒有空氣流動的干擾,且液滴形狀的采集是在180 s內連續完成的.因此,空氣流動的影響也可以排除.由此可見,穩態磁場明顯改變了水和甘油在有機玻璃表面的潤濕角.

圖4 去離子水和甘油的潤濕角隨時間的變化Fig.4 Variation of wetting angles of deionized water and glycerol with time

液滴在固體表面達到穩定狀態時,固液氣三相交界處的界面張力(固-液界面張力γsl,氣-液界面張力γlv及固-氣界面張力γsv)達到平衡.由楊氏方程可知,潤濕角θY取決于界面張力的大小,即cosθY=(γsv?γsl)/γlv.為了簡化楊氏方程中的變量,Kwok等[19]消除了固-液界面張力,得到

式中,β是常數.由式(1)可以看出,潤濕角θY的大小取決于γlv,γsv.

目前,磁場作用下固體表面張力的變化還未見相關報道.但是,已有大量研究證實磁場會改變液體的表面張力[6,20].Cai等[3]將純水以一定的流速置于0.5 T磁場環境下,發現水表面張力相比于無磁場時減小了8.3%.龐曉峰等[21]發現:磁處理水的紅外吸收光譜和拉曼譜明顯不同于純水;經過磁處理的水不僅具有磁記憶效應,表面張力也有所下降,且在銅和石墨表面的潤濕角均有所減小,該研究認為這是由于磁場對水分子結構產生了一定的影響,而分子間作用就是磁場作用的靶點.Krems[22]發現磁場可以離解弱范德瓦爾斯結合的絡合物,表明磁場可以減弱分子間的相互作用.Zhou等[23]采用蒙特卡羅模擬發現,磁場下水中氫鍵的平均數量減少,分子間氫鍵變得更加脆弱,甚至發生部分斷裂、重組.上述研究表明,磁場減小了液體的表面張力,其物理機制是磁場弱化了液體分子之間的相互作用.

去離子水和甘油均為極性分子液體,分子間存在氫鍵等相互作用.研究表明:在相同條件下去離子水的表面張力大于甘油,其中20?C時水的表面張力為72.8 mN/m,甘油表面張力為64.0 mN/m[24].由方程(1)可知,去離子水的潤濕角大于甘油,這與本實驗結果是吻合的.另外,在磁場作用下,極性分子受洛倫茲力的作用,偶極矩取向發生變化,氫鍵將會發生畸變.隨著分子正負帶電中心的偏移,氫鍵成鍵分子距離增大,從而削弱了氫鍵鍵能,甚至導致氫鍵斷裂.由此可見,磁場減弱了液體分子間的相互作用,減小了液體的表面張力.假設磁場對固體表面張力的影響極其微弱,式(1)很好地預測了潤濕角隨表面張力減小而減小這一趨勢.因此,磁場作用下去離子水和甘油在有機玻璃表面的潤濕角均減小.

3 結束語

本工作采用潤濕角測量儀研究了穩態磁場下去離子水和甘油在有機玻璃表面的潤濕角,發現兩種液體的潤濕角均隨磁場強度增加而減小.與無磁場相比較,5 T強磁場下去離子水和甘油在有機玻璃表面的潤濕角分別減小了10.8%和4.0%.這一現象主要源于磁場弱化了液體分子間的相互作用,導致液體表面張力下降,從而減小了去離子水和甘油在有機玻璃表面的潤濕角.