如何判断超疏水表面能否减阻?

自1997年Barthlott和Neinhuis对荷叶效应的报道以来,超疏水表面和超疏水材料作为纳米科学和材料科学的热门研究课题,得到了广泛关注与深入研究。早期,相关报道集中于超疏水表面的制备方法,并提出了结合表面粗糙度和低表面涂层以获得超疏水的设计原则。随后,为了促进超疏水材料从被动材料向主动材料体系发展,人们制备了一系列具有刺激响应性的智能表面,可以实现对超疏水和超亲水两种浸润性质的可控转变。目前,超疏水表面或超疏水材料的功能与应用成为了重要的研究热点,例如自清洁材料、抗反射涂层,油水分离,减阻等。其中,超疏水表面实现运动物体减阻有望应用于实际并得到了广泛关注。然而,当前对于超疏水表面是否有利于减阻仍存在争议,不同的超疏水表面减阻或增阻均有所报道。一方面,人们利用流变仪等仪器通过对流体性质的研究来评价超疏水表面的减阻性能;另一方面,人们在运动物体表面制备超疏水涂层,通过物体运动速度判断是否减阻。尽管目前人们用流变仪、滚动角(接触角滞后)等常规方法预测减阻性能,但其预测结果可能与实际速度测试结果不同甚至相反。

为了准确判断与预测超疏水表面的减阻性能,北京化工大学化工资源有效利用国家重点实验室石峰教授组提出了一种利用水的粘附力曲线,判断超疏水表面是否具有运动减阻效果的简便、普适性的新方法,即根据水的粘附力曲线终态,无水滴残留的超疏水表面可以实现减阻,反之则可能增阻;减阻效果随着粘附力数值的减小而提高。减阻机理可用Wenzel和Cassie浸润模型结合滑移边界层理论进行解释。相关结果发表在Small上

 SMALL

他们制备了三种典型的超疏水表面:第一种表面滚动角较小(接触角滞后小),第二种表面滚动角较大(接触角滞后严重)而表面形貌为凸状,第三种表面滚动角较大但表面形貌为凹状孔穴结构。按照传统根据滚动角(接触角滞后)判断减阻效果的方法,低滚动角的超疏水表面应该表现出减阻性而高滚动角的超疏水表面应该表现为增阻。他们在30厘米长的船体模型表面制备了上述三种涂层,分别由聚二甲基硅氧烷(PDMS)与疏水铜粉交联、PDMS与疏水铁粉交联、PDMS与疏水铁粉交联后刻蚀铁粉构筑。在6 m长的水槽中进行超疏水船体模型与空白模型的运动测速,在保证动力和负载一致的情况下,第一种超疏水表面表现为减阻,而第二种与第三种则分别表现为减阻与增阻现象,这是传统滚动角表征所不能预测到的结果。为此,我们通过水滴对超疏水表面的标准粘附力测试方法,获得粘附力曲线,利用粘附力数值和曲线终态判断减阻性能。如图所示,通过马达控制运动,精密微天平记录水滴上受力变化,当水滴和基底接触并逐渐分离的过程中,其粘附力在分离点达到最大值;分离后,水滴上的终态力值可以体现超疏水表面是否捕获了部分水。对于捕获了水的表面,在运动过程中会因为Wenzel接触方式导致增阻,对于无水滴残留的表面则可以通过Cassie状态达到减阻效果。此外,粘附力值越小,分离过程越短则表明超疏水表面对水的粘附性差,可实现更好的减阻。超疏水表面捕获的空气层可以通过边界层滑移的方式减少流动阻力。

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