氯化钠液滴在特氟龙表面润湿行为的电控调节研究*

刘丽明，闫航瑞

(1.武汉工程科技学院 信息工程学院，湖北 武汉 430200；2.中国地质大学 机械与电子信息学院，湖北 武汉 430074)

0 引 言

电润湿效应是一种微流体现象，其主要原理是通过调控导电液滴与介电层基板间的加载电压，进而改变球状液滴的表面张力以影响其形貌分布，基于此来调控液滴与基板间的接触角大小并改变其浸润特性[1]。目前，该技术已成为操控固—液界面润湿最有效和最通用的技术手段之一，被视为各种流体及光电设备重要的驱动机制，其具有调控范围广、响应速度快、系统稳定等特点[2,3]，在数字化微流控芯片[4,5]、液体变焦透镜[6]、电润湿显示[7,8]以及柔性电子纸[9]等诸多领域得到了广泛应用。

当前，针对电润湿系统的研究主要集中于导电液滴成分影响[10]、介电润湿的迟滞效应[11]、介电材料及厚度[12,13]、电压大小及电极分布形式影响等[14]。为进一步深入探讨界面润湿行为的电控调节机理，掌握电场调控的影响规律，本文将基于介电润湿系统，构建电润湿接触角等效理论方程，同时结合实验测试，重点分析加载电压大小、电压极性、频率变化对电润湿系统其浸润特性及接触角大小的影响，为电场调控作用下的介电润湿理论在实际工程中的应用提供理论指导。

1 电润湿调控模型的构建

电润湿效应主要是通过操控导电液滴与基底间的电压来控制液滴与基板间的润湿性，从而改变固—液界面之间的接触角。为进一步探究界面润湿行为的电控调节机理，构建如图1所示的电润湿理论模型，重点分析加载电压大小、电压极性以及频率大小对浸润特性及接触角变化的影响。

图1 电润湿调控的原理图

如图1所示，若液滴在接触界面达到平衡状态时其固—气—液三相饱和接触角为θ，假设该状态下液滴为球冠状，其半径为R，则根据其空间分布和接触角关系知液滴体积为

(1)

同时，导电液体与介电层间电荷累积产生的电容效应可用吉布斯自由能G来描述，则有

G=(σsl-σsg)A2+σglA1+UE-We

(2)

式中σsl，σsg和σgl分别为固—液、固—气、液—气界面的表面张力，A1，A2分别为导电液体与空气、介电层的接触面积，UE为由直流电压产生的电容效应在介电层中储存的静电能，We为驱动电场力所做的功，WG为液滴的重力势能。同时，根据能量最小原理和液滴体积不变原则，结合Young方程，即有dG=0和dV=0，则可知多因素耦合的电润湿接触角方程为

(3)

式中ξ0为真空中的介电常数，ξr为介电层相对介电常数，U为加载电压，d为介电层厚度。

基于上述理论，在COMSOL中建立界面润湿行为的电控模型，其主要参数为：导电玻璃基底ITO、介电层(特氟龙真空蒸发镀膜，厚度约为1 μm，介电常数为2.1)、液滴为浓度5 %的NaCl水溶液，其体积为10 μL。加载电压0～70 V，则可模拟NaCl水溶液在特氟龙薄膜表面的界面润湿性行为变化，同时可知该加载电压下的接触角大小，如图2所示。

图2 接触角大小与电压的关系

由图2可知，在该模拟条件下，NaCl水溶液在特氟龙薄膜表面的初始接触角(即U=0 V时)约为120°，在加载电压从0～70 V逐渐增大过程中，接触角逐渐减小至约95°，且呈现先缓慢变化后迅速减小的非线性变化趋势，直至接触角饱和，液滴在介电层表面逐渐铺展开来，这表明当施加电场时，接触角会随着电压的增大而呈现非线性减小趋势，直至接触角饱和。

2 实验测试与分析

基于上述分析，搭建界面润湿行为的电控测试平台，实验中搭载金属探针以实现加载电压大小的调节，其直径约0.15 mm，光学接触角测量仪采用SDC-350 H，通过高速摄影结合图像处理技术即可解算出其接触角，电润湿调控实验平台如图3所示。

图3 电润湿调控实验测试平台

实验测试的具体过程是：将镀有特氟龙薄膜的ITO导电玻璃基底置于测试平台，在特氟龙薄膜表面滴加约10 μL氯化钠液滴，随后，将探针一端插入氯化钠液滴中，另一端连接到电源正极上，再将ITO导电玻璃基底与直流电源负极连接起来，打开电源，从0 V开始并逐渐增加，测量液滴在恒定10 s后的接触角大小。同时，为了减小液滴的挥发对实验数据的影响，进行重复实验3～5次后取平均值，直到特氟龙薄膜被击穿，即可得到正向电压的电润湿曲线。同理电极反接即可得到负向加载的电润湿曲线，其实验测试数据与理论分析结果对比如图4所示。

图4 直流电压对电润湿行为的影响

由图4可知，在接触角达到饱和效应之前，无论是施加正向电压还是负向电压，接触角均会随着电压的增大而逐渐减小，且呈现抛物线般的非线性变化趋势，电润湿理论模拟与实验测试数据基本吻合。在施加负向电压过程中，接触角迅速减小逐渐趋于饱和，饱和接触角约为95.3°，饱和电压为-60 V；而在施加正向电压时，接触角减小的速度较为缓慢，接触角达到95°而趋于饱和，此时电压为70 V。显然，在正向、负向电压加载过程中，极性的改变将出现接触角不对称变化的差异性，这主要是由于极性的改变造成作用机理的不对称，该不对称性主要是由于氯化钠液滴中Cl-与Na+的体积差异，导致电荷在偏移过程中引起接触角的不对称性变化。

同时，基于直流电界面润湿调控实验测试平台，切换电源至交流电加载，改变交流电电压大小及频率分布，进行接触角测试实验，其实验测试数据与理论分析结果对比如图5所示。

图5 交流电频率对电润湿行为的影响

由图5中数据可知：交流电压为30 V，频率分别为50，125，250 Hz时，其对应的接触角分别为114.3°，113.8°，112.9°，即施加相同的交流电压时，频率越高，接触角反而越小。这主要是由于在交流电场作用下，电荷进入介电层中并逐渐累积，而累积电荷的形成和消失均具有滞后性，当交流电频率较高时，交流电场与介电层中累积电荷形成的电场具有同向性，叠加的结果将促进电润湿效应而使接触角减小。

同时，当交流电频率分别为50，125，250 Hz时，其饱和电压分别为65，60，57.5 V，对应的接触角分别为95.1°，94.7°，94.1°，即交流电频率在50～250 Hz范围内变化时，饱和电压会随着频率的升高而呈反向降低，同时，当升高交流电频率过高时，氯化钠液滴的三相接触线处会诱发动力学失稳，氯化钠液滴周围会产生许多卫星液滴，综合动力学和电润湿系统分析，主要有如下几部分原因：1)三相接触线处的电场分布不均是导致液滴动力学失稳的主要原因；2)同时受到交流电场与介电层中累积电荷形成电场的双重作用，液滴在三相接触线处的受力平衡被打破，从而引起动力学失稳;3)介电层薄膜是由高分子聚合物通过真空气相沉积制备，可能存在薄膜厚度分布不均。因此，在电润湿效应的实际应用中要尤其避免系统动力学失稳的出现。

3 结 论

本文基于能量最小原理和液滴体积不变原则，系统构建了多因素影响的电润湿理论模型，详细推导了电润湿系统接触角数理方程，重点探究了加载电压大小、电压极性以及频率变化对浸润特性及接触角大小的影响。理论分析和实验测试结果表明：无论是施加正向电压还是负向电压，接触角均会随着电压的增大而逐渐减小，呈现抛物线般的非线性变化趋势，且由于液滴离子体积差异使得正、负向加载具有明显的不对称性；而在施加交流电场时，频率越高，接触角反而越小，随着频率的增大，系统饱和所需电压也逐渐减小。同时，交流电场快速激变过程中可能诱发系统动力学失稳，为交流电电场调控提供了设计参考。本研究为深入探讨界面润湿行为的电控调节机理，揭示电场调控影响规律具有重要的意义。