稳态磁场对液体润湿角的影响

曹 洋,郭 锐,何盛亚,李传军,玄伟东,王 江,任忠鸣

(1.上海大学省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室,上海200444;2.上海大学上海市钢铁冶金新技术开发应用重点实验室,上海200444;3.上海大学材料科学与工程学院,上海200444)

近几十年来,随着超导技术的发展,稳态强磁场广泛应用于材料加工制备过程[1].材料电磁制备技术也已经发展成为一门涉及磁流体力学、冶金工程、材料科学等基础学科的综合交叉学科.强磁场能够无接触地将高密度的能量输送到目标体系中,影响材料的热力学状态及动力学过程,从而改变材料的物理化学性质.Hosoda等[2]发现,在10 T磁场下水的折射率明显提高,而饱和水溶液则呈现相反的结果.Cai等[3]研究发现磁场下水的表面张力降低,而黏度随着磁化时间的增加而升高.Iwasaka等[4]在14 T磁场下利用近红外分光光度计观察葡萄糖溶液,发现磁场明显影响葡萄糖分子的水合作用.此外,研究发现液体的PH值、表面张力和黏度均会受到磁场的作用而发生改变[5-7].上述研究证实了磁场作用下材料的理化特性会产生不同程度的变化.

润湿现象普遍存在于生产生活之中,例如,污染物防控、印刷、薄膜制备等领域[8],因此研究液体润湿性能的变化具有重要的理论和实际意义.液体的润湿角是表征润湿性能的一个重要参数.研究表明磁场的作用能够改变液体的润湿角.Pang等[9]研究发现,弱磁场作用下水在铜表面和石墨表面的润湿角均有所减小.Otsuka等[10]发现磁场下去离子水在聚四氟乙烯表面润湿角从65◦减小到57.5◦.虽然这些研究初步证实了磁场下液体的润湿性能会发生变化,但是这一现象的物理本质仍然没有澄清.

因此,本工作利用润湿角测量仪测量了磁场下去离子水以及甘油在有机玻璃表面的润湿角变化,并探讨磁场下去离子水和甘油润湿性变化的原因.

1 实验方法

1.1 实验装置

稳态强磁场由超导磁体产生,磁体工作内径为100 mm,磁场强度可在0∼8 T之间调节.稳态强磁场下润湿角测量仪的结构如图1所示.由图可知,测量装置主要包括3个部分:液滴进样系统、温度监测系统以及图像采集系统,其中图像采集系统相关电子元器件远离磁场区域,以避免磁场对电子元器件及实验测量结果的影响.液滴通过进样系统滴在基板上,基板下面的T型热电偶可监控液滴的温度.为了避免空气流动对液滴形状的影响,采用有机玻璃罩覆盖液滴所在的玻璃底座.实验时,液滴处于稳态磁场的中心区域.

1.2 实验材料及过程

实验中使用的两种液体为去离子水(10 MΩ·cm)和甘油(质量分数>99.5%).实验采用基板为有机玻璃(聚甲基丙烯酸甲酯),具有良好的化学稳定性,并且两种液体对有机玻璃润湿性能均为中等,有利于实验中更清楚地观察磁场下液滴润湿角的变化.

考虑到液滴的润湿角容易受基板表面杂质及其他污染物的干扰,为了保证实验中基板表面洁净,有机玻璃表面在实验前分别用酒精和去离子水超声清洗30 min,之后再用去离子水冲洗,最后在真空干燥箱干燥.

液体滴落在基板表面形成球冠状液滴,体积约为15µL.采用图像采集系统获取液滴的形态.实验中当液滴形状在有机玻璃表面稳定静止后,开始采集液滴形状图片.每次快速采集6张液滴形状图片,采集间隔为30 s,相同条件下重复实验5次.考虑到温度波动对材料的润湿性能具有明显的影响[11],将铜片镶嵌在实验基板下方并与热电偶连接,目的是利用铜的良好导热性均匀化基板及液滴温度,避免温度波动影响实验结果.实验中液滴温度为24.1±0.3◦C.

1.3 润湿角测量

采用Stalder等[12]开发的液滴对称形状分析法拟合液滴形状并获得润湿角,如图2所示.

图1 稳态磁场下润湿角测量装置示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus for wetting angle measurement in steady magnetic f i eld

图2 液滴法测量润湿角示意图Fig.2 Schematic diagram of wetting angle measurement by sessile drop method

2 结果与讨论

图3是去离子水和甘油在有机玻璃表面的润湿角随磁场强度的变化曲线.可以看出,随着磁场强度的增加,去离子水和甘油的润湿角均逐渐减小.去离子水和甘油在不同磁场强度下的润湿角如表1所示.由表1可知:当磁场强度从0增加到5 T时,去离子水的润湿角从79.4◦减小到70.8◦,减小幅度达10.8%;甘油的润湿角由60.8◦下降到58.3◦,下降幅度为4.0%.这表明磁场作用下去离子水和甘油在有机玻璃表面的润湿性能均得到了提升.

图3 去离子水和甘油的润湿角随磁场强度的变化Fig.3 Variation of the wetting angles of deionized water and glycerol with magnetic field intensity

表1 去离子水和甘油在不同磁场强度下的润湿角Table 1 Wetting angles of deionized water and glycerol at different magnetic f i eld intensities

润湿角容易受各种因素的影响,因此有必要分析各种因素对润湿角测量可能造成的偏差.首先,液滴重力可能会对润湿角产生一定的影响.Sasges等[13]采用气泡法测量了液体在不同高度时的润湿角,发现润湿角在不同高度存在差异,他们指出这是由于重力的作用影响了润湿角测量结果.采用液滴法测量润湿角,重力可能会对液滴形状产生影响,从而影响润湿角的测量结果.重力对于液滴形状的影响主要源于三相交界处的“线张力(line tension)”,但是“线张力”对液滴润湿角的影响只有在液滴非常微小的时候才会有所体现,而在宏观条件下测量液滴润湿角时的影响很小,可以忽略不计[8,14].Taylor等[15]测量了不同体积的水滴在固体表面的润湿角大小,通过大量的实验对比,发现体积为100 pL和2µL的水滴在固体表面的润湿角大小基本一致.Ems等[16]测量了体积为5～50µL的液滴在同种基体材料表面的润湿角大小,发现液滴润湿角均没有明显的差异.由此可见,重力的作用对于液滴法测量润湿角的影响极小.实验中液滴的体积约为15µL,因此重力对润湿角测量产生的误差可以忽略不计.

另外,液滴的挥发会对液滴润湿角测量产生影响[17].研究表明,磁场会促进水的挥发,且挥发速率与磁场梯度有直接关联[18].为了验证均匀磁场是否会影响液滴的挥发进而影响润湿角,比较同一条件下润湿角随时间的变化关系,结果如图4所示.可以看出,两种液体的润湿角均在很小的范围内波动,即基本保持稳定.这种波动部分源于软件测量润湿角时产生.因此,本实验并未观察到均匀磁场促进液滴挥发,因而不会对润湿角测量带来影响.此外,实验过程液滴处于封闭的环境,没有空气流动的干扰,且液滴形状的采集是在180 s内连续完成的.因此,空气流动的影响也可以排除.由此可见,稳态磁场明显改变了水和甘油在有机玻璃表面的润湿角.

图4 去离子水和甘油的润湿角随时间的变化Fig.4 Variation of wetting angles of deionized water and glycerol with time

液滴在固体表面达到稳定状态时,固液气三相交界处的界面张力(固-液界面张力γsl,气-液界面张力γlv及固-气界面张力γsv)达到平衡.由杨氏方程可知,润湿角θY取决于界面张力的大小,即cosθY=(γsv−γsl)/γlv.为了简化杨氏方程中的变量,Kwok等[19]消除了固-液界面张力,得到

式中,β是常数.由式(1)可以看出,润湿角θY的大小取决于γlv,γsv.

目前,磁场作用下固体表面张力的变化还未见相关报道.但是,已有大量研究证实磁场会改变液体的表面张力[6,20].Cai等[3]将纯水以一定的流速置于0.5 T磁场环境下,发现水表面张力相比于无磁场时减小了8.3%.庞晓峰等[21]发现:磁处理水的红外吸收光谱和拉曼谱明显不同于纯水;经过磁处理的水不仅具有磁记忆效应,表面张力也有所下降,且在铜和石墨表面的润湿角均有所减小,该研究认为这是由于磁场对水分子结构产生了一定的影响,而分子间作用就是磁场作用的靶点.Krems[22]发现磁场可以离解弱范德瓦尔斯结合的络合物,表明磁场可以减弱分子间的相互作用.Zhou等[23]采用蒙特卡罗模拟发现,磁场下水中氢键的平均数量减少,分子间氢键变得更加脆弱,甚至发生部分断裂、重组.上述研究表明,磁场减小了液体的表面张力,其物理机制是磁场弱化了液体分子之间的相互作用.

去离子水和甘油均为极性分子液体,分子间存在氢键等相互作用.研究表明:在相同条件下去离子水的表面张力大于甘油,其中20◦C时水的表面张力为72.8 mN/m,甘油表面张力为64.0 mN/m[24].由方程(1)可知,去离子水的润湿角大于甘油,这与本实验结果是吻合的.另外,在磁场作用下,极性分子受洛伦兹力的作用,偶极矩取向发生变化,氢键将会发生畸变.随着分子正负带电中心的偏移,氢键成键分子距离增大,从而削弱了氢键键能,甚至导致氢键断裂.由此可见,磁场减弱了液体分子间的相互作用,减小了液体的表面张力.假设磁场对固体表面张力的影响极其微弱,式(1)很好地预测了润湿角随表面张力减小而减小这一趋势.因此,磁场作用下去离子水和甘油在有机玻璃表面的润湿角均减小.

3 结束语

本工作采用润湿角测量仪研究了稳态磁场下去离子水和甘油在有机玻璃表面的润湿角,发现两种液体的润湿角均随磁场强度增加而减小.与无磁场相比较,5 T强磁场下去离子水和甘油在有机玻璃表面的润湿角分别减小了10.8%和4.0%.这一现象主要源于磁场弱化了液体分子间的相互作用,导致液体表面张力下降,从而减小了去离子水和甘油在有机玻璃表面的润湿角.