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通过调控液滴蒸发抑制表面产生咖啡环效应实现微粒均匀沉积

2020/04/09



关键词:咖啡环效应,均匀沉积,接触角,蒸发模式

简介:在悬浮液蒸发过程中,避免咖啡环效应,实现固体颗粒的均匀沉积,是科学技术领域的巨大挑战。Butt等人提出了通过调控液滴蒸发,抑制表面产生咖啡环效应,实现微粒均匀沉积的新策略。该研究对很多领域有重要的潜在应用价值。




含有固体颗粒的液滴如何从固体表面蒸发是一个复杂的过程,研究该蒸发过程有利于揭示科学本质和规律。在质量和传热的共同作用下,导致产生了一些有趣的现象如“咖啡环效应”--它描述了固体表面上液滴蒸发后胶体粒子产生的不均匀环状沉积(图1)。避免“咖啡环效应”实现胶体粒子的均匀沉积在很多领域都是关键,如生物传感器、喷墨打印、喷洒农药、水性涂料应用、光子学等。最近,Butt等人研究了通过在固体表面进行油膜包覆,调控水滴蒸发过程,抑制“咖啡环效应”产生,实现了不对称超微粒的制备。



1: 由表面轮廓仪记录墨水中的颗粒的环状沉积,即咖啡环效应



如何抑制“咖啡环效应”产生,实现胶体粒子的均匀沉积?


为了清楚理解液滴蒸发过程,Butt等人研究了在表面有油膜和无油膜时液滴的蒸发。如图2所示,在表面涂有油膜的液滴蒸发得更慢,形成更均匀的图案。蒸发过程中,液滴表面(a)上有两条明显的接触线(界面):液体-液体-空气接触线(CLLA)和液体-液体-固体接触线(CLLS)。相比之下,由于液滴内部向外产生的毛细流动,在没有修饰的玻璃表面(b)上的液滴蒸发速度明显加快,而且只有一条接触线,即液--固接触线(CLAS),并产生了典型的咖啡环。





此外,图2a)说明胶体颗粒有从体相向界面(CLLA)上迁移并在那里聚集的趋势。这种现象是由于在油膜的水滴表面在底边CLLS位置的蒸发受阻造成的(黄色区域)。只有在液滴中没有被油膜覆盖的区域才会发生蒸发,这种局部蒸发导致液滴内颗粒物质的向上流动。这些集中到液滴上表面的粒子,在蒸发过程中更容易在基底上发生均匀沉积。油的粘度、油膜厚度、液滴尺寸和胶体粒子的浓度都对沉积模式有影响。


为了更深入地理解蒸发过程中的颗粒流动模式,他们使用荧光聚苯乙烯颗粒作为示踪剂,并通过激光共焦显微镜跟踪这一过程。结果表明,在表面有油膜的液滴其沉积半径随时间而减小,但是其在油滴边缘的接触角变化不大(CCA模式,接触角不变)。这一现象表明在随着液滴边缘不断后退,胶体颗粒被钉在基底表面并不是立即产生的。





3: 油膜表面水滴蒸发机理研究



相比之下,在无油膜液滴的表面,沉积半径基本没有变化,并且接触角比有油膜液滴的表面小得多,并且在整个蒸发过程中接触角逐渐减小(CCR模式,底圆半径不变)。这是因为对于无油膜液滴表面,颗粒在蒸发开始时已经被固定在表面上。


这项研究证明了一种新的策略,通过在固体表面进行油膜包覆,调控水滴蒸发速率、机理和过程,使液滴在有油膜的表面发生蒸发来避免“咖啡环效应”(非均匀沉积)的产生,从而在液滴蒸发过程中保证悬浮胶体颗粒的均匀沉积。Butt等指出在有油膜的表面上的液滴蒸发分两个阶段进行(如图3所示):首先,由于水蒸发仅发生在未覆盖油膜的液滴区域,液滴中产生向上流动,将颗粒带到上表面层并形成粒子单层,一段时间后液滴表面被颗粒完全占据(第一阶段)。在水滴进一步蒸发失水后,上表面的颗粒层将沉积在基底上,导致颗粒分布非常均匀,实现均匀沉积和分布(第二阶段)。



使用仪器:dataphysics OCA 35 接触角测量仪, DCAT 11 /界面张力仪

(厂家:Dataphysics Instruments GmbH, 德国)










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