荷叶在水下的超疏水状态的寿命测试与分析

侯绍行, 王高峰会*, 黄建业, 刘文强

摘  要

水中超疏水状况在金属材料耐腐蚀维护、减阻和避免水中污渍等领域具备关键的使用使用价值. 水中超疏水情况的使用寿命是牵制超疏水原材料在水中使用的主要要素. 文中根据持续纪录超疏水页面处反射面光光强转变检测了菏叶在不一样水位下的超疏水情况的使用寿命. 菏叶在水中的湿润情况随时长转变可划分为3个环节: 非湿润环节、一部分湿润环节、彻底湿润环节. 非湿润环节不断的時间就是水中超疏水情况的使用寿命, 随水位的上升呈指数值降低, 在水位高过孔状力能够抑制的極限深层时使用寿命又进一步减少. 液气介面的平稳借助孔状力造成的悬架力和气体內部工作压力一同保持. 提升孔状力能够抑制的極限水位可以使超疏水原材料在更加深入的河流下获得运用.

关键字

水中超疏水, 使用寿命, 全反射, 孔状力

超疏水原材料因具备自清理、防潮、低粘附等众多特点, 一直吸引住大家的关心. Wenzel[1], Cassie 和Baxter[2]科学研究了固液气三相触碰线的活化能均衡问题进而表述了不光滑表层上药液的湿润个人行为. 液态在超疏水界面上存有2 种湿润情况: Wenzel 情况和Cassie-Baxter情况. Wenzel情况中液态与固态表层彻底触碰, 表面张力落后非常大; Cassie-Baxter情况中液态只与固态界面上的凸出一部分触碰, 进而将气体困在液态与底材中间, 表面张力落后不大. 保持Cassie-Baxter情况的平稳以防止Wenzel情况的造成是完成众多能力的重要, 尤其是超疏水原材料运用于水中的状况.

超疏水原材料运用于水中, 可以完成金属材料耐腐蚀、减阻和避免水中污渍等作用[3], 具备关键的使用使用价值. 水中超疏水状况依靠水中停留空气的存有, 研究表明空气并不稳定[4]. 而超疏水原材料要达到其在水中的众多运用, 务必提升自己的可靠性. 可靠性包含2个层面: (1) 处在水中的超疏水原材料可以抵御的较大静水压；(2) 在恒工作压力功效下原材料可以保持超疏水性的最多時间, 也即使用寿命. Poetes等人[4]和Lee等人[5]应用数码相机拍照获得水中超疏水页面相片, 依据相片灰度级的转变取得了超疏水页面的变动全过程, 但相片灰度级非常容易遭到自然环境照度的危害. Pei等人[6]和Sheng等人[7]根据纪录表面张力的转变各自检测水中超疏水情况的使用寿命和超疏水原材料能够抑制的较大静水压. 但这种科学研究沒有将二者结合在一起剖析, 测试寿命常用的工作压力沒有与原材料能够抑制的较大静水压开展较为. 因而, 文中根据持续纪录超疏水页面处反射面光光强转变检测菏叶在不一样水位下的超疏水情况的使用寿命, 以二氧化碳激光做为灯源进而防止自然环境照度的影响,探寻危害水中超疏水情况使用寿命的缘故, 为超疏水原材料的运用添砖加瓦.

1 试验一部分

1.1 实验原理

如下图1所显示, 光以一定视角射进水里会在超疏水液气页面处产生全反射状况, 这时折射光抗压强度比较大.从适度的视角去观查能够看见光亮的银色页面,这种情况是由于超疏水页面处存有空气, 光在相应的角度看下没法透过空气. 当环境压力持续扩大或恒工作压力保持一段时间后, 水一部分入侵多孔结构中, 空气容积减少, 折射光抗压强度也会减少. 而当水彻底入侵多孔结构中, 液气页面消退, 反射面光的强度较弱. 因而, 可依据折射光抗压强度转变获得超疏水页面的湿润变化全过程.

图1 (网路版五颜六色)超疏水页面处的光的反射状况

Figure 1 (Color online) Light reflection phenomenon of the superhydrophobicinterface

1.2 实验方法

试验选用新鮮菏叶做为研究对象: (1) 由于菏叶的μm构造尺寸适度有利于增加不同的尺寸的工作压力; (2)由于菏叶的超疏水性与其说生物活性没有太大的关系[8], 试验的过程中也发觉即使将菏叶泡浸在水中三四天菏叶表层都没有产生显著转变. 试验应用激光发射器(50mW, (650±10) nm)做为灯源, 红外传感器接受折射光, 数据采集卡开展量化分析解决. 选用激光器做为灯源可获得十分光亮的折射光, 进而大大的减少了房间内光转变对试验結果带来的危害. 试验进行前将激光发射器和红外传感器置放在适宜的部位便于纪录折射光抗压强度. 随后将水迟缓地倒进密闭容积里, 吞没全部菏叶(宽度约2 cm). 工作压力借助水的压力来完成. 增加在菏叶上的负担和折射光各自由液位传感器和红外传感器开展检测与纪录. 在同一水位下开展2组试验,一组用于数据信息纪录, 另一组置放数码相机便于观查较为. 试验操作过程中尽可能保证自然环境不会改变, 应用去离子水,每一次试验拆换一次去离子水并间距一段时间用紫外线照射水质. 光照强度的纪录间距维持在5~20 min中间.

图2 (网路版五颜六色)菏叶处于不一样深层的水中页面折射光抗压强度随時间的转变图

Figure 2 (Color online) Graphs of reflected light intensity variation with time when lotus leaves are in different water depths

2.1 试验結果

最先寿命测试试验中设置水位各自为20, 40, 60和90 cm. 图2提供了菏叶处于不一样深层的水中页面折射光抗压强度随時间的转变, 由图2(a)可以看得出不管水位为是多少, 折射光抗压强度一开始都可以保持在较高的程度上, 随后快速减少. 且水位越重, 折射光抗压强度损耗得越来越快. 依据曲线图特点可将曲线图分成3段: (1) 全反射环节, 这一环节折射光最牛且可以保持一段时间表明液气页面比较平稳, 页面为银色(图1(a)), 菏叶表层沒有被湿润, 菏叶依然处于水中超疏水情况;(2) 迅速损耗环节, 这一环节折射光抗压强度大幅度减少表明液气页面越来越十分不稳定, 空气快速减少促使页面返光减弱, 菏叶表层一部分地区被湿润, 水中超疏水情况难以再次保持; (3) 最后平稳环节, 这一环节折射光抗压强度处于较低的水准上迟缓降低, 菏叶表层修复翠绿色(图1(b)), 表明这时液气页面基本上彻底消退, 菏叶表层的绝大多数地区被湿润, 水中超疏水情况荡然无存.

界定全反射环节不断的时长为水中超疏水情况的使用寿命τhs. 当菏叶处于20 cm的水中时, 使用寿命τhs约为3160 min. 伴随着浸入深层持续提升到40, 60和90 cm,使用寿命各自减少为2020, 1280和840 min. 这一結果与以前的科学研究相符合[3,4]. 次之, 设置水位为120, 150 cm.如下图2(b)所显示, 当菏叶处于120 cm的水中时, 其折射光随時间的转变也一样分成3段, 但全反射环节的時间会十分短, 只是保持了55 min. 而当菏叶处于150 cm的水中时, 全反射环节彻底消退, 折射光快速减少并稳定出来. 因而可觉得菏叶在这里一水位下未找到水中超疏水情况, 即使用寿命为0.

运用前4组数据信息开展拟合曲线可获得水中超疏水情况的使用寿命与水位的关联, 使用寿命随水位的提升呈指数值损耗, 拟合曲线的相关指数R2 = 0.997, 拟合曲线理想化. 但当水位超出90 cm后, 这一对数函数所相对应的曲线图便没法与试验結果相一致(图3(a)示), 实验室测出的使用寿命远小于曲线图相匹配的使用寿命. 而运用6组数据信息开展指数值拟合曲线結果比不上以前的好, 尽管相关指数R2 = 0.982较为大，但曲线图对后边3个点的线性拟合不足好. 因而表明以前的分析只是适用水位相对性偏浅的状况. 寿命测试完毕后快速将菏叶取下选择3个点精确测量表面张力, 如下图3(b)所显示在同一水位下菏叶不一样区域的湿润水平是不一样的. 但不管试验中的水位多少钱其相匹配的表面张力都低于150°, 表明菏叶多孔结构早已被湿润, 并且表面张力落后都十分大, 水珠难以从菏叶表层滚下来. 水位越重表面张力越大, 水位越淡使用寿命越长其湿润水平越大.

2.2 結果剖析

为了更好地表述以上这种状况, 需对超疏水页面处的停留空气开展受力. 如下图4所显示, 空气的內部工作压力Pv、水的静工作压力Pl和孔状力造成的悬架力Ps创建均衡:

P0是大气压力, Pv与溫度、气体受缩小水平相关. Ps与企业总面积固液气三相触碰线长短、非均相触碰总面积成绩fs、前行表面张力θa、表面张力γlv和多孔结构的底角ω相关. 较大造成的悬架力可表明为[9]

黄建业等人[10]融合真空设备检测了超疏水情况的工作压力可靠性，科学研究了Cassie-Wenzel湿润衔接个人行为以及临界压力. 研究表明: 在沒有空气的情形下菏叶可以抵御的较大工作压力约为8.5 kPa, 等同于87 cm水位的静水压, 也即孔状力能够抑制的極限水位; 而当有空气存有时, Cassie-Wenzel湿润变化全过程无法完全进行, 超疏水液气页面能够抑制的静水压大大增加[11].

图3 (网路版五颜六色)(a) 水中超疏水情况的使用寿命与水位的关联; (b) 寿命测试完毕后菏叶的表面张力

Figure 3 (Color online) (a) The relationship of lifetime of underwater superhydrophobicity to water depth; (b) the contact angle of lotus leaves afterlifetime test

当水位小于孔状力能够抑制的極限水位时, 孔状力造成的悬架力和气体的內部工作压力一同保持液气介面的平稳. 空气的质量总流量j与气体对水的质量传送指数kl和工作压力Pv相关[12]:

c是气体在水中的浓度值, H是伯特参量, ρ是水密度,g是重力加速度, h是水位. 全反射环节往往可以保持一段时间是由于这一环节气体內部的工作压力Pv不大,气体融解进水里的效率十分小. 即使有一部分汽体融解进水里造成汽体分压减少, 孔状力所造成的悬架力根据调节表面张力和三相触碰线密度也可以保持页面的均衡, 因此折射光抗压强度不容易产生显著转变, 空气的壁厚较为大, 如下图5(a)和(b)示. 特别注意的是, 全反射环节的折射光抗压强度仍大会上下起伏. 这体现了液气页面为了更好地做到均衡而持续作出调节, 液气页面凹凸性产生变化造成折射光抗压强度忽大忽小. 但伴随着气体不断蔓延到水里, 菏叶表层乳突遍布稀少的地方也即容易被湿润的地区, 液气页面会最先下沉将空气切分成许多的气体泡(图5(c)). 这时气体会遭受弯折液位造成的拉普拉斯工作压力(pL = 2γlv /r, r是夹角)的功效. 拉普拉斯力及其水的压力促使气体加快融解进水里造成液气页面进一步降低, 折射光抗压强度也因而大幅度减少. 当液气页面基本上消退(图5(d))时,折射光抗压强度较弱且基本上不会再产生变化.

图4 (网路版五颜六色)超疏水页面处空气受力分析图

Figure 4 (Color online) Mechanic analysis graph of air layer in superhydrophobicinterface

当水位高过孔状力能够抑制的極限水位时, 空气则在一开始就遭受较大的工作压力, 液气介面的平稳关键借助气体保持. 气体融解进水里便会造成液气页面降低, 孔状力所造成的悬架力在这里一全过程起不了一切阻拦功效, 折射光玻璃纤维布比水位较低时损耗得更为快速. 水位做到150 cm时气体融解得十分快速以致于沒有全反射环节. 从而还可以看得出超疏水原材料在水中的深层不得超过孔状力能够抑制的極限深层是水中超疏水情况在一段时间内平稳存有的必备条件. 但水位也只是是危害水中超疏水情况使用寿命的外部要素, 水位的提升巨大地减少了使用寿命但却对湿润水平危害并不大, 汽体及其毛细作用力随時间的转变个人行为才算是危害使用寿命的本质要素.

图5 (网路版五颜六色)液气页面随時间入侵微结构示意图

Figure 5 (Color online) Schematic diagram of the vapor-liquid interface intruding microstructure with time

水中超疏水情况的使用寿命随水位的转变呈指数值损耗可以用气体的逸度表述, 逸度可做为成分传送、转移方位的抗压强度特性[13],

p′是气体的逸度, p′0是标准大气压下的气体逸度, ν是偏摩尔体积, R是气体常数, T是热力学温度. 由(5)式可看得出逸度p′是随深层h呈指数值转变的, 与水中超疏水情况的使用寿命随深层h的变化趋势同样.

3 结果

文中运用水中超疏水页面光的反射状况, 根据持续纪录反射面光光强转变检测了菏叶在不一样水位下的超疏水情况的使用寿命. 菏叶在水中的湿润情况随时长转变可划分为3个环节: 非湿润环节、一部分湿润环节、彻底湿润环节. 在水位小于孔状力能够抑制的極限深层时, 水中超疏水情况的使用寿命随水位的上升呈指数值降低. 液气介面的平稳借助孔状力造成的悬架力和气体內部工作压力保持, 即使气体一部分融解，悬架力仍能在一段时间内保持液气介面的平稳. 在水位高过孔状力能够抑制的極限深层时, 气体因为一开始就遭受较大的工作压力快速融解进水里, 使用寿命又进一步减少. 因而提升孔状力能够抑制的極限水位可以使超疏水原材料在更加深入的河流下获得运用.

论文参考文献

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2 Cassie A B D, Baxter S. Wettability of porous surfaces. Trans Faraday Soc, 1944, 40: 546–551

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4 Poetes R, Holtzmann K, Franze K, et al. Metastable underwater superhydrophobicity. Phys Rev Lett, 2010, 105: 166104.1

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6 Pei M D, Wang B, Tang Y H, et al. Fabrication of superhydrophobic copper surface by direct current sputtering and its underwater stability.Thin Solid Films, 2013, 548: 313–316

7 Sheng X L, Zhang J H. Air layer on superhydrophobic surface underwater. Colloids Surfaces A: Physicochem Eng Aspects, 2011, 377:374–378

8 Herminghaus S. Roughness-induced non-wetting. Europhys Lett, 2000, 52: 165–170

9 Extrand C W. Repellency of the lotus leaf: Resistance to water intrusion under hydrostatic pressure. Langmuir, 2011, 27: 6920–6925

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11 Zhang K, Huang J Y, Wang F H. Wetting behavior of superhydrophobic materials under hydraulic pressure (in Chinese). Chin J MaterRes, 2014, 28: 281–285 [张凯, 黄建业, 王高峰会. 超疏水原材料在液压机功效下的湿润个人行为. 材料研究学报, 2014, 28: 281–285]

12 Ji Z S, Zhu R K, Li D. Principle of Transmission (in Chinese). Harbin: Harbin Institute of Technology Press, 2002 [吉泽升, 朱荣凯, 陈艳. 传送基本原理. 哈尔滨市: 哈工大出版社出版, 2002]

13 Enns T, Scholander P F, Bradstreet E D. Effect of pressure on gases dissolved in water. J Phys Chem, 1965, 69: 389–391

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