1. Forschungs hintergrund
Die Untersuchung des Selbst organization verhaltens von Tröpfchen auf hydrophilen/hydrophoben strukturierten Oberflächen trägt zum Verständnis des kinetischen Verhaltens von Tröpfchen auf speziellen komplexen Oberflächen bei und liefert eine wissenschaft liche Grundlage für die Entwicklung neuartiger mikro fluid ische Geräte und Materialien.
Forscher der Jiangnan University kombinierten die auf Hoch geschwindigkeit kamera technologie basierende Visual isierungs experiment methode mit der auf VOF basierenden numerischen Simulations methode und der Berechnungs methode basierend auf dem mathematischen Modell der Energie einsparung des Tröpfchen aufpralls zu beobachten Sie das Verhalten der Tröpfchen ausbreitung, kontraktion, Spaltung, Spritzen usw., Und systematisch die Auswirkungen von Reynolds-Nummer Re, Weber-Nummer We und die Eigenschaften des strukturierten Substrats auf das Verhalten der Tröpfchen untersuchen. Im experimentellen Teil der Visual isierung wird das dynamische Verhalten des Tröpfchen ablagerung verhaltens und der Aufspaltung der Kinetik auf strukturierten Oberflächen untersucht.
2. Visual isierung von Laborgeräten und-instrumenten
1) Glass ub strat beschichtet mit SiO2/OTS-Beschichtung durch Platzieren einer Schatten maske, um hydrophile und hydrophobe Bereiche zu trennen.
2) Piezo angetriebener Mikro tröpfchen generator, der bei Bedarf Tröpfchen erzeugt, wobei das Tröpfchen volumen (Durchmesser 1 ~ 2,3mm) durch die Düsen größe und die Tröpfchen geschwindigkeit (0 ~ 1 mt/s) gesteuert wird. bestimmt durch den Abstand zwischen der Düse und dem Substrat.
3) Revealer Hoch geschwindigkeit kamera (Revealer, X113M).
Abbildung 1
3. High-Speed-Kamera-Visual isierung Experiment Abschnitt
Die experimentelle Studie, die auf Hoch geschwindigkeit kamera technologie basiert, ist der Schlüssel, um das Verhalten der Tröpfchen ausbreitung, des Schrumpfens, der Spaltung und des Spritzens auf verschiedenen hydrophilen und hydrophoben Oberflächen zu beobachten. und um den Prozess der Tröpfchen-Hoch geschwindigkeit ausschläge mit einer Geschwindigkeit von 10000 fps/s und einer Bild auflösung von 20 µm/Pixel zu visual isieren und aufzu zeichnen.
1) Eine hybrid benetzte Oberfläche wird durch Bestrahlung eines hydrophoben SiO2/OTS-Substrats erzeugt, das mit einer Schatten maske mit UV/Ozon-Licht bedeckt ist, das seine exponierten Bereiche in hydrophile Regionen umwandelt. Der statische Kontakt winkel SCA des makellosen SiO2/OTS-Substrats beträgt in Abhängigkeit von der Belichtung szeit. wie in Abb. 1.
2) UV/Ozon-Licht bei Wellenlängen von 184 nm und 254 nm ist wirksam beim Abbau und der Reaktion mit organischen Verbindungen, was wiederum einen hydrophilen Effekt auf exponierten Oberflächen erzeugt, die von Schatten masken bedeckt sind. während unbelichtete SiO2/OTS-beschichtete Oberflächen hydrophob bleiben. Die Zeit, um einen Kontakt winkel von 5 ° bis 156 ° durch UV/Ozon-Behandlung zu erzeugen, ist wie in Abbildung 2.
Abbildung 2
3) Wassertröpfchen-Aufprall experimente wurden durchgeführt, indem die UV/Sauerstoff-Expositions zeit gesteuert wurde, um den statischen Kontakt winkel SCA im hydrophilen Bereich zu ändern. Dies wiederum veränderte den SCA-Kontrast (Δθ = Δpho-Δphi) der hydrophilen/hydrophoben gestreiften Oberfläche. Visuelle Aufnahme mit der Hoch geschwindigkeit kamera Revealer X113M. Im Experiment wirkten Wasser tröpfchen auf die hydrophilen Streifen und überbrückten die hydrophilen Regionen auf beiden Seiten. Wenn der SCA-Kontrast Δθ = 86 °, die Reynolds-Zahl Re = 200 und die Weber-Zahl We = 1,1 sind, teilen sich die betroffenen Tröpfchen nicht. Die Flüssigkeits brücke über die hydrophilen Streifen schwingt einfach, bis eine „ schmetterlings förmige “Wasser brücke über dem gemusterten Bereich gebildet wird, wie in Abbildung 3 gezeigt.
Abbildung 3
4) Steuern Sie weiterhin die UV/Sauerstoff-Expositions zeit für Wassertröpfchen-Aufprall experimente. Wenn der SCA-Kontrast Δθ = 126 °, die Reynolds-Zahl Re = 200 und die Weber-Zahl We = 1,1, die Wasser tröpfchen zogen sich nach der Landung auf den hydrophilen Streifen schnell zusammen und dehnten sich auf beiden Seiten in den hydrophilen Bereich aus, bevor sie sich spalten, stabilisieren und auf den hydrophilen Bereich beschränken, wie in Abb. 4.
Abbildung 4
(5) Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass der SCA-Kontrast Δθ von hydrophilen/hydrophoben Streifen oberflächen einen starken Einfluss auf die Tröpfchen aufprall-und Abscheidung eigenschaften hat.
6) Ein numerisches Modell basierend auf der Volumen fraktion VOF wurde ferner verwendet, um den Tröpfchen aufprall auf eine nicht homogene benetzte Oberfläche mit hydrophilen/hydrophoben Mustern weiter zu untersuchen. Zur gleichen Zeit, ein mathematisches Modell, das auf dem Prinzip der Energie einsparung von „ kinetischer Energie “und „ Oberflächen energie“ basiert, das durch Tröpfchen aufprall hervor gerufen wird, wird verwendet, um den Tröpfchen aufteilung mechanismus in der Tiefe zu untersuchen und die Tröpfchen aufteilung vorher zusagen phänomen.
4. Schluss folgerung der Studie
Die Ergebnisse von Visual isierungs experimenten, die auf Hoch geschwindigkeit kameras basieren, numerischen Simulationen auf der Grundlage des Volumen anteils VOF und Berechnungen, die auf dem mathematischen Modell der Energie einsparung basieren, stimmen mit der Vorhersage der Tröpfchen aufteilung überein.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Tröpfchen aufprall geschwindigkeit, der hydrophile/hydrophobe Kontrast und die Streifen breite die Hauptfaktoren sind, die die Tröpfchen aufteilung und die Ablagerung morphologie beeinflussen. Dies kann eine qualitative Grundlage für eine genauere Manipulation der Selbst organization von Tröpfchen in Tinten strahl druck-und Mikro fluid ik anwendungen bieten.
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