微液滴在注液表面黏附及摩擦行为的主/被动控制及机理研究

作     者：张学仁 

作者单位：西南科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张亚锋;张尔卿

授予年度：2023年

学科分类：081704[工学-应用化学] 07[理学] 070304[理学-物理化学(含∶化学物理)] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0703[理学-化学] 

主      题：微液滴 注液表面 黏附 摩擦 电润湿 界面调控 

摘      要：液滴操控是利用物理、化学和生物学原理准确地控制液体的结构、形状和运动的一种新兴技术,具有准确度高、效率高、可控性好、灵活度高等优势,广泛应用于医疗诊断、食品安全、药物研发以及生物分离等领域。该技术可实现液滴的精细化控制,使实验过程更加精准,结果更加可靠,节省实验成本。同时在一定范围内可实现自动操作,大大减少实验人员的工作量,具有重要的应用价值。因此为了进一步提升液滴控制的准确率与传输效率,深入研究液滴与界面之间的摩擦与黏附行为就具有重大意义。基于此本文通过调节注液表面的注入流体粘度和外部电压的方式,对微液滴/注液表面的摩擦力和黏附力进行了控制,并对其变化机理进行了详细分析,以期获得更好的液滴控制结果。实验结果表明,当注入二甲基硅油粘度从10 c St增加到100 c St时,微液滴/注液界面润湿力从194μN减小到123μN,最大相互作用力从129μN减小到94μN,分离力从101μN减小到82μN;界面摩擦力从约15μN增加到40μN。在注液表面上的介电润湿实验结果发现,当外加电压从0 V增加到240 V,润湿力从156μN增加到322μN左右,最大相互作用力从120μN增加到178μN左右,分离力从85μN减小到53μN左右;摩擦力从15μN增加到45μN左右。实验结果说明液滴在注液表面上的黏附力/摩擦力实现了3倍范围内的动态调节。分析表明,高粘度聚二甲基硅油内部具有较强剪切力,且长链会增强微液滴/注液表面氢键作用,在两种作用形式的耦合下,润湿力、最大相互作用力以及分离力随粘度的增加而减小,摩擦力随粘度的增加而增加。电压作用下,微液滴在注液表面产生电润湿行为,有效界面能随电压发生非线性响应,实现固液界面黏附力/摩擦力的实时调节。因此,通过改变粘度的被动方式和电压控制的主动方式可以有效调节微液滴/注液表面的摩擦力与黏附力,使微液滴/注液表面特性满足特定需求,研究的成果可为微流体控制系统,微通道的优化设计及微液滴的精确输送提供技术和理论指导。