一种降低电场下固液界面粘-滑行为的方法技术

技术编号:19175845 阅读:45 留言:0更新日期:2018-10-17 00:05
本发明专利技术公开了一种降低电场下固液界面粘‑滑行为的方法,该方法可显著改善微液滴在固体表面的运动行为,使电场下的微液滴在固体表面运行更加流畅,该方法为通过改变直流电压的加载速率,使微液滴三相接触线在高直流电加载速率作用下出现突变,从而克服固液界面阻尼,达到有效降低固液界面粘‑滑行为的目的;通过对比不同直流电压加载速率下微液滴三相接触线长度随电润湿常数增加的关系图,可以实时观察到不同电压加载速率下微液滴在固液界面的粘‑滑行为。本发明专利技术能使微液滴在固体表面的运行流畅度提高2倍以上;本发明专利技术主要基于直流可编程电源,接触角测量仪以及图像处理软件,实验方法简便,结果直观,准确,可靠。

A method to reduce the stick slip behavior of solid liquid interface under electric field

The invention discloses a method for reducing the viscosity-slip behavior of solid-liquid interface under electric field. The method can significantly improve the movement behavior of micro-droplets on the solid surface and make the micro-droplets run smoothly on the solid surface under electric field. The method is to make the three-phase contact wire of micro-droplets at high DC voltage by changing the loading rate of DC voltage. By comparing the relationship between the length of the three-phase contact line and the increase of the wettability constant under different DC voltage loading rates, the micro-liquid at different voltage loading rates can be observed in real time. The stick slip behavior at the solid-liquid interface. The invention can improve the running fluency of micro-droplets on the solid surface by more than two times, and is mainly based on the DC programmable power supply, the contact angle measuring instrument and the image processing software. The experiment method is simple, the result is intuitive, accurate and reliable.

【技术实现步骤摘要】
一种降低电场下固液界面粘-滑行为的方法
本专利技术属于微流体控制系统
,具体涉及一种降低电场下固液界面粘-滑行为的方法。
技术介绍
微流体控制系统以微通道网络为结构特征,把整个实验室的功能集成在微型芯片上,在生物监测、环境保护、航天航空等领域具有广阔的应用前景。微流体控制系统的核心技术是对微液滴的精准驱动和控制。而介质上电润湿以其低能耗、制备简单、可靠性高等优点已成为备受欢迎的微液滴驱动技术之一。介质上电润湿指用绝缘层将导电表面与微液滴隔绝,通过电场改变固液界面的润湿特性,实现对微液滴的驱动。目前,介质上电润湿已经可以实现对微液滴的移动,分离和混合,但仍有许多问题亟待解决。电场下的微液滴在固体表面的运动受固液界面粘附力、表面粗糙度等因素的影响,常表现出粘-滑现象,即微液滴在运动过程中会出现运动阶段性停止。粘-滑现象使微液滴在固体表面无法连续顺畅的运动,对微液滴的精确控制会产生不利影响。三相接触线的粘滑现象使得基于介质上电润湿相关产品的流畅性、可靠性无法保证,大大影响介质上电润湿技术在产品上的应用和发展。目前降低介质上电润湿固液界面粘-滑现象有以下方法:1)制备具有足够低表面能的表面;2)给予额外的“震动能量”克服固液界面粘-滑效应;3)通过高频率交流电降低固液界面粘-滑现象。就方法1)而言,固体的表面能无法无止境的降低,当表面能达到一定阈值后,因受材料本身属性的影响,表面能无法进一步降低;方法2)虽然可以降低固液界面粘-滑现象,但是该方法需要额外提供振动源,设备占用空间较大,能耗高,且微小振动能难以精确施加,所以无法在实际工况中进行应用;方法3)通过施加高频率交流电虽然可以显著降低介质上电润湿固液界面粘-滑现象,但是需要专用交流电源。不仅如此,随着微流控系统朝着微型化、小型化、智能化发展,其动力源的提供主要以直流电为主,因此交流电源的使用将使系统更为复杂。基于此,专利技术一种基于直流电下降低介质上电润湿固液界面粘-滑现象的方法显得极为重要。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷,并提供至少后面将说明的优点。为了实现根据本专利技术的这些目的和其它优点,提供了一种一种降低电场下固液界面粘-滑行为的方法,包括以下步骤:步骤一、以导电材料为基底,在导电材料表面涂覆厚度不超过2μm的绝缘层,对绝缘层表面进行疏水处理或涂覆疏水涂层,形成具有三明治结构的实验样品;步骤二、将实验样品用银浆粘附在纯铜铜板表面,将纯铜铜板置于接触角测量仪平台,并将纯铜铜板与可编程直流电源正极连接,滴加任意体积的微液滴到样品表面;将直径远小于微液滴体积的细铜丝电极插入微液滴内部,并将细铜丝与可编程直流电源负极相连;设置可编程直流电源电压范围及电压加载速率;启动接触角测量仪,选择动态接触角测量功能,通过接触角测量仪录制液滴形貌随电压增加而发生改变的视频;步骤三、重复步骤二,滴加新的微液滴到硅基超疏水实验样品表面,改变直流电源电压加载速率,获得不同电压加载速率下液滴形貌随电压变化视频;步骤四、将接触角测量仪录制的不同电压加载速率下微液滴体积随电压变化视频逐帧导出;随后使用接触角测量仪和图像处理软件分别得到液滴表观接触角和接触线长度随电润湿常数变化的关系图;步骤五、通过对比不同直流电压加载速率下微液滴表观接触角和接触线长度随电润湿常数的变化图,量化不同电压加载速率下固液界面粘-滑行为的变化趋势,从而获得降低固液界面粘-滑行为的最佳电压加载速率参数。优选的是,所述步骤一的过程为:在基底硅片表面镀100~500nm的SiO2绝缘层,随后用800目砂纸打磨样品背面,直至用数字万用表测量其电阻值R<20Ω,随后将样品置于超声波清洗机中,用酒精和去离子水反复清洗,直至样品表面水滴无法附着,最后将实验样品置于保温柜中;将清洗干净的硅片样品置于台式匀胶机,使用旋涂法旋涂TeflonAF1600乳液,得到具有三明治结构的硅基超疏水实验样品。优选的是,所述旋涂法的参数为:低速500r/min,时间20s;高速3000r/min,时间30s;将旋涂的硅片置于真空干燥箱中,使用200℃烘烤3h,自然冷却,得到硅基超疏水实验样品。优选的是,所述细铜丝电极的直径为50~200um。优选的是,所述可编程直流电源电压范围设置为0V-120V,电压加载速率为1~50V/s。本专利技术采用的方法的基本原理为:微液滴在自身重力、界面粘着力、界面张力等作用力下在固体表面达到静态平衡状态。电场作用下,正负电荷在固-液-气三相接触线处聚集,这些正负电荷类似于活化剂,使得液滴表面能发生改变,电荷聚集达到一定阈值后,正负电荷产生的电场力使得液滴突破固液界面张力和阻塞力,微液滴三相接触线发生滑动,微液滴进入动不平衡状态。微液滴滑动过程中固液界面张力、电场力、阻塞力形成了一个不稳定的力学平衡系统,将在极短的时间内从动态转变到静态,达到重新平衡,液滴重新停止运动。随着电压的增加,此种现象周期性出现,所以微液滴三项接触线移动表现为粘-滑现象。当提高直流电压加载速率时,正负电荷在三相接触线处的电荷累积速率增加,使三相接触线的不稳定性维持在更宽泛的范围,从而使跨越了多处低加载速率下的粘-滑过程,达到降低固液界面粘-滑的目的。本专利技术至少包括以下有益效果:(1)本专利技术提出一种降低电场下固液界面粘-滑行为的方法,该方法是通过增加直流电压的加载速率,使微液滴三相接触线始终保持在不稳定状态,从而克服固液界面的粘-滑现象,通过对比不同直流电压加载速率下微液滴三相接触线长度随电润湿常数增加的关系图,可以实时观察到不同电压加载速率下微液滴在固液界面的粘-滑行为。(2)通过本专利技术的方法,最终以硅基超疏水表面液滴表观接触角和接触线长度为纵坐标,并以电润湿常数为横坐标作图。从图3和图4可以明显看出,当直流电压加载速率增加时,硅基超疏水表面固液界面粘-滑行为发生显著降低,此方法可以有效降低固液界面粘-滑行为,为芯片实验室、电润湿透镜等基于介质上电润湿的产品提供更好的控制精度,避免此类产品的滞后效应。本专利技术的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现,部分还将通过对本专利技术的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。附图说明:图1为本专利技术实例一的实验原理图。图2为本专利技术实例一的实验示意图。图3为本专利技术实例一所获得硅基超疏水表面液滴表观接触角随电润湿数变化关系图。图4为本专利技术实例一所获得硅基超疏水表面液滴接触线长度随电润湿数变化关系图。具体实施方式:下面结合附图对本专利技术做进一步的详细说明,以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。应当理解,本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。实施例1:一种降低电场下固液界面粘-滑行为的方法,包括以下步骤:步骤一、将直径150mm表面镀有300nmSiO2的硅片分割为15mm*15mm试样,随后用800目砂纸打磨分割后的样品背面,直至用数字万用表测量其电阻值R<20Ω,随后将实验样品置于超声波清洗机中,用酒精和去离子水反复清洗,直至样品表面水滴无法附着,最后将实验样品置于保温柜中;将清洗干净的硅片样品置于台式匀胶机,使用旋涂法在样品正面旋涂TeflonAF1600乳液;旋涂参数如下:低速本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种降低电场下固液界面粘‑滑行为的方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤一、以导电材料为基底,在导电材料表面涂覆厚度不超过2μm的绝缘层,对绝缘层表面进行疏水处理或涂覆疏水涂层,形成具有三明治结构的实验样品;步骤二、将实验样品用银浆粘附在纯铜铜板表面,将纯铜铜板置于接触角测量仪平台,并将纯铜铜板与可编程直流电源正极连接,滴加任意体积的微液滴到样品表面;将直径远小于微液滴体积的细铜丝电极插入微液滴内部,并将细铜丝与可编程直流电源负极相连;设置可编程直流电源电压范围及电压加载速率;启动接触角测量仪,选择动态接触角测量功能,通过接触角测量仪录制液滴形貌随电压增加而发生改变的视频;步骤三、重复步骤二,滴加新的微液滴到硅基超疏水实验样品表面,改变直流电源电压加载速率,获得不同电压加载速率下液滴形貌随电压变化视频;步骤四、将接触角测量仪录制的不同电压加载速率下微液滴体积随电压变化视频逐帧导出;随后使用接触角测量仪和图像处理软件分别得到液滴表观接触角和接触线长度随电润湿常数变化的关系图;步骤五、通过对比不同直流电压加载速率下微液滴表观接触角和接触线长度随电润湿常数的变化图,量化不同电压加载速率下固液界面粘‑滑行为的变化趋势,从而获得降低固液界面粘‑滑行为的最佳电压加载速率参数。...

【技术特征摘要】
1.一种降低电场下固液界面粘-滑行为的方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤一、以导电材料为基底,在导电材料表面涂覆厚度不超过2μm的绝缘层,对绝缘层表面进行疏水处理或涂覆疏水涂层,形成具有三明治结构的实验样品;步骤二、将实验样品用银浆粘附在纯铜铜板表面,将纯铜铜板置于接触角测量仪平台,并将纯铜铜板与可编程直流电源正极连接,滴加任意体积的微液滴到样品表面;将直径远小于微液滴体积的细铜丝电极插入微液滴内部,并将细铜丝与可编程直流电源负极相连;设置可编程直流电源电压范围及电压加载速率;启动接触角测量仪,选择动态接触角测量功能,通过接触角测量仪录制液滴形貌随电压增加而发生改变的视频;步骤三、重复步骤二,滴加新的微液滴到硅基超疏水实验样品表面,改变直流电源电压加载速率,获得不同电压加载速率下液滴形貌随电压变化视频;步骤四、将接触角测量仪录制的不同电压加载速率下微液滴体积随电压变化视频逐帧导出;随后使用接触角测量仪和图像处理软件分别得到液滴表观接触角和接触线长度随电润湿常数变化的关系图;步骤五、通过对比不同直流电压加载速率下微液滴表观接触角和接触线长度随电润湿常数的变化图,量化不同电压加载速率下固液界面粘-滑行为的变化...

【专利技术属性】
技术研发人员:张亚锋王永宁吴晓兰余家欣姚永瑰
申请(专利权)人:西南科技大学
类型:发明
国别省市:四川,51

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