【解決方案】液滴撞擊不同傾斜角度超疏水表面時的動態(tài)參數(shù)測量方法

液滴撞擊固體表面的動力學(xué)越來越被科研人員關(guān)注。能夠幫助科研人員解決很多技術(shù)難題，如：在農(nóng)作物施藥過程中，小液滴撞擊植物葉面時的彈跳行為直接影響藥液的利用率。在能源領(lǐng)域，戶外架設(shè)的電纜常年受到雨雪的侵襲，我們希望雨雪撞擊電纜表面后能夠迅速脫落，從而延長電纜材料的使用壽命。在運(yùn)輸領(lǐng)域，飛機(jī)和汽車表面的自清潔和除冰能力往往與安全相關(guān)。因此，找到一種有效的追蹤液滴撞擊固體表面后的彈跳行為的方法，對科研人員研究理想的固/液材料或找到快速除冰的方法非常重要。

本文闡述了一種可行的測量方法，能夠直觀且量化分析液滴撞擊固體表面后的彈跳過程。其擴(kuò)展功能非常廣泛，并不限于文中展示的內(nèi)容，該方法為研究液滴撞擊動力學(xué)提供了強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐。

【實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/span>】

追蹤液滴撞擊到固體表面后的形變和彈跳過程。

樣品：水，一種超疏水表面

為什么選擇超疏水表面作為實(shí)驗(yàn)對象。因?yàn)樽匀唤缰械闹参锶~面大多表現(xiàn)為超疏水特性。另外，為增強(qiáng)材料的防水防冰性能也通常將材料表面處理為超疏水表面。因此，該實(shí)驗(yàn)選擇一種超疏水表面材料測量。如圖1，該材料表面在常溫下的靜態(tài)接觸角為160.2°。

                                                                                圖1，超疏水表面與水的靜態(tài)接觸角（CA）

【使用測量儀器】

德國德飛Dataphysics儀器公司生產(chǎn)的OCA系列接觸角測量儀，是一款基于視頻法的多功能測量儀器。它能夠精確測量固/液接觸角、液體表面張力、固體表面自由能、界面擴(kuò)張流變等物理量。

在本次應(yīng)用中，我們選用了OCA 50型號（如圖2所示）裝置傾斜臺（如圖3所示）進(jìn)行測量。該傾斜平臺的傾斜角度為0°至360°，可以完成液滴撞擊任意傾斜角度的固體表面的動態(tài)跟蹤。

此測量儀器和配置適合于液滴彈跳，液滴滾落，液滴滑動，液滴殘留等動態(tài)捕捉和量化分析。

圖2：OCA 50接觸角測量儀

圖3：TBA 360M傾斜臺

【測量原理和方法】

本次實(shí)驗(yàn)的核心是利用OCA50儀器的視頻系統(tǒng)，一個高分辨率高速相機(jī)捕捉液滴撞擊到超疏水材料表面后的完整動態(tài)變化過程。觀察內(nèi)容包括液滴彈跳的過程，彈跳高度，形狀變化、最大接觸直徑等關(guān)鍵參數(shù)。通過這些數(shù)據(jù)的記錄和分析，可以深入了解超疏水材料表面在液滴撞擊時兩者的相互作用情況，進(jìn)而評價藥液的施藥效果或材料的防水防冰性能等。

【實(shí)驗(yàn)過程】

在實(shí)驗(yàn)中，我們采用了精確外徑為0.2mm的超細(xì)注射針，由儀器專用的軟件自動注射液體，保證每次從針口脫離的水滴體積均4.3ul。將水滴從固定高度17mm釋放，任其自由下落。在此過程中，液滴受到重力的作用，加速下落，直至與正下方放置的超疏水表面相撞。

考慮到自然界中的固體表面大部分都帶有傾斜角度，為了模擬真實(shí)情境，調(diào)節(jié)傾斜臺角度使固體超疏水表面處于不同的傾斜角度放置。本文分別測量了超疏水表面傾斜0°（水平）、10°、20°、30°、40°時液滴撞擊時的動態(tài)參數(shù)。圖4展示了水滴撞擊不同傾斜表面的彈跳狀態(tài)（如需要相關(guān)視頻可與我司聯(lián)系）。

圖4，水滴從17mm高度自由落下，撞擊不同傾斜角度的超疏水表面后第一次回彈時不同時間狀態(tài)的截圖，所有數(shù)據(jù)均通過OCA50接觸角測量儀直接拍攝錄像得到

當(dāng)水滴與不同傾斜角度的超疏水表面發(fā)生碰撞時，水滴動態(tài)行為會受到表面傾斜角度的影響，表現(xiàn)出不同的彈跳狀態(tài)、鋪展、回縮等現(xiàn)象。

下面我們選擇幾個參數(shù)對獲得的視頻圖像進(jìn)行量化計(jì)算。

1, 水滴撞擊到不同傾斜角度超疏水表面后的最大直徑（見圖5和表一）：

表一：水滴撞擊到不同傾斜角度超疏水表面后的最大直徑

圖5，應(yīng)用OCA50接觸角測量儀的專用軟件測量水滴撞擊到不同傾斜角度超疏水表面后的最大直徑

2，水滴撞擊到不同傾斜角度超疏水表面后未脫離表面時的反彈高度測量（見圖6和表二）：

表二，水滴撞擊到不同傾斜角度超疏水表面后未脫離表面時的反彈高度

圖6，應(yīng)用OCA50接觸角測量儀的專用軟件測量水滴撞擊到不同傾斜角度超疏水表面后未脫離表面時的反彈高度

3， 水滴撞擊到水平放置的超疏水表面后的彈跳高度、水滴截面積、發(fā)生彈跳部分的水滴體積測量（見圖7）：

圖7，應(yīng)用OCA50接觸角測量儀的專用軟件測量水滴撞擊到到水平放置的超疏水表面后的彈跳高度、水滴截面積、發(fā)生彈跳部分的水滴體積

4，  水滴撞擊到水平放置的超疏水表面后的回彈平均速度計(jì)算（見圖8）：

由圖8可以計(jì)算得到水滴撞擊到水平放置的超疏水表面后的回彈平均速度為：

V =（5.05095 – 3.33332）/11.09 = 0.14433mm/ms

圖8，應(yīng)用OCA50接觸角測量儀的專用軟件測量水滴撞擊到水平放置的超疏水表面后的回彈平均速度

【結(jié)論】

本文闡述了一種測試方案，采用OCA50接觸角測量儀配合360度傾斜臺追蹤水滴以一定的高度撞擊到超疏水表面后的動態(tài)過程，并通過專用的計(jì)算分析軟件計(jì)算得到水滴在此過程中的很多參數(shù)信息。該方法測量簡單，精度高，獲得的信息量充分，為研究水滴的動態(tài)運(yùn)動過程提供有力的數(shù)據(jù)支撐。特別適用于農(nóng)藥制劑研發(fā)，戶外電纜防水防冰，以及飛機(jī)汽車等防冰材料的研發(fā)。

本文只選擇了幾個參數(shù)進(jìn)行測量，該儀器的測量功能非常廣泛，還可以測量水滴在撞擊不同傾斜角度超疏水表面后很多參數(shù)，如：水滴的鋪展面積，水滴滑行距離，水滴回縮速度，水滴是否分離及分離后的體積占比，每一個與時間瞬間相關(guān)的參數(shù)，不同的拍攝速度獲取，不同高度或不同液滴體積的撞擊狀態(tài)等等。

另外，OCA50接觸角測量儀除了可以配置360度傾斜臺，還可以配置不同的控溫單元和濕度附件，可以模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境南北方溫濕度不同進(jìn)行測量，以獲得更真實(shí)的環(huán)境條件數(shù)據(jù)支撐。

總之，此套完整的解決方案不僅有助于深入了解液滴與超疏水表面之間的相互作用機(jī)制，還為超疏水材料的設(shè)計(jì)和優(yōu)化、施藥制劑研發(fā)等提供了有力的數(shù)據(jù)支持。