納米流體液滴瞬態(tài)蒸發(fā)速率影響因素實驗研究

胡均宜,胡定華,金 銘,劉錦輝

(南京理工大學(xué) 電子設(shè)備熱控制工信部重點實驗室,江蘇 南京 210094)

納米流體是將一種或多種納米級別的顆粒加入基液中振蕩分散后形成的穩(wěn)定的混合液[1]。由于納米顆粒的加入,納米流體相比基液的物理性質(zhì)會發(fā)生變化,如粘度、導(dǎo)熱系數(shù)、表面張力等[2,3],因此納米流體液滴蒸發(fā)不僅在化工、電子散熱等領(lǐng)域有重要應(yīng)用,而且在生物、醫(yī)療、光電材料制備等方面也有重要應(yīng)用前景[4,5]。納米流體液滴的蒸發(fā)特性較為復(fù)雜,不僅涉及到氣液相變和微流動,還涉及到顆粒在基板表面沉積等過程[6,7],吸引了較多學(xué)者的研究。

Picknet和Bexon[8]研究表明,固著液滴蒸發(fā)分為固定接觸角與固定接觸線兩種模式。固定接觸角模式下的蒸發(fā),接觸線會在基板上滑移,接觸角保持不變;固定接觸線模式下的蒸發(fā),接觸半徑保持不變,接觸角隨時間減小。Hu與Larson[9]采用有限元法(Finite element method,FEM)對玻璃基板上的蒸發(fā)水滴進(jìn)行了理論研究。結(jié)果表明初始接觸角較小(<40°)的液滴,其蒸發(fā)速率與接觸半徑有關(guān),而與接觸角關(guān)系不大,基本保持恒定。Chandra等[10]研究了接觸角對加熱底板上水滴的蒸發(fā)影響,結(jié)果表明體積一定的條件下,減小接觸角能增大接觸面積,并減小液滴厚度,增加液滴熱傳導(dǎo),最終提高蒸發(fā)速率。張凱等[11]研究了基底厚度對蒸發(fā)液滴表面溫度分布的影響,利用數(shù)值方法,發(fā)現(xiàn)了隨著基底厚度的改變,液滴表面出現(xiàn)3種溫度分布模式。于應(yīng)松等[12]研究了表面為PDMS的固著液滴蒸發(fā),并模擬了固著水滴引起的PDMS表面變形。以上主要是針對純水液滴展開的研究,而納米流體液滴蒸發(fā)的相關(guān)研究更為復(fù)雜。Sefiane等[13]通過實驗對比了不同環(huán)境溫度中Cytop和Teflon底板上乙醇和去離子水為基液,TiO2與 Al2O3為納米粒子制成的納米流體液滴的蒸發(fā)及潤濕過程,得到溫度及濃度對最終粒子沉積的影響。張文彬等[14]通過對SiO2膠體液滴蒸發(fā)干燥沉積過程的觀察,發(fā)現(xiàn)液滴接觸線的釘扎是最終形成環(huán)狀沉積物的必要條件。納米流體液滴的蒸發(fā)機理較純水液滴而言,相關(guān)研究較少。

目前對納米流體液滴蒸發(fā)特性的實驗研究,主要將重點放在納米流體液滴接觸角、接觸半徑、整體平均蒸發(fā)速率以及蒸發(fā)粒子沉積等參數(shù)特性上,對瞬態(tài)蒸發(fā)速率特性的研究尚不清晰[15]。本文采用可視化實驗研究了水基CuO、Al2O3納米流體液滴在加熱基板上的蒸發(fā)過程,分析了液滴蒸發(fā)過程中接觸角、接觸半徑、液滴體積等形態(tài)參數(shù)隨時間變化關(guān)系,與純水蒸發(fā)進(jìn)行對比,分析了納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)、基板加熱溫度對納米流體液滴瞬態(tài)蒸發(fā)速率的影響規(guī)律,探討了相關(guān)機理。

1 實驗系統(tǒng)及方法

1.1 實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)示意圖如圖1所示,分成3個部分:光學(xué)測量段、加熱段、數(shù)據(jù)采集段。光學(xué)測量段由光源、兩個CCD相機構(gòu)成。使用5 μL量程的微量進(jìn)樣器將液滴置于基板表面。液滴蒸發(fā)過程中的接觸角、接觸半徑、液滴高度參數(shù)可由光學(xué)可視化系統(tǒng)測量,左側(cè)LED光源(S2800E)打光,右側(cè)CCD相機實時觀測液滴蒸發(fā)過程中的側(cè)視形貌變化,上方的CCD相機實時監(jiān)測液滴的俯視形貌變化。上方CCD相機增設(shè)一個補光圈,一方面是為了觀察液滴形貌變化,另一方面有助于俯拍圖更清晰。加熱段采取水浴加熱,由恒溫槽(DC-2030)、水循環(huán)管路、鋁制熱交換器、銅基板構(gòu)成。銅板置于熱交換器的上表面,基板溫度通過設(shè)置水浴溫度進(jìn)行調(diào)控,并由對稱布置在銅基板表面液滴附近的兩個OMEGA-T型(精度±0.1 ℃)熱電偶實時測量,測量數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集儀(Agilent 34972A)記錄。數(shù)據(jù)采集段由計算機、熱電偶測溫儀構(gòu)成,計算機軟件DROPimage記錄蒸發(fā)過程中液滴接觸角、液滴接觸半徑、液滴高度的變化。此外,為了減少震動干擾,系統(tǒng)主體置于光學(xué)減震平臺上。

圖1 實驗系統(tǒng)圖

1.2 實驗方法

采用兩步法[16]制備納米流體,過程中采用精度0.01 g的電子天平稱取直徑40 nm的CuO和直徑50 nm的Al2O3顆粒,分別放入去離子水中,制備成質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.1%、1%、2%的水基納米流體,隨后置于超聲波振蕩器中振蕩20 min。為減小納米顆粒沉積和聚集行為對實驗結(jié)果的影響,在每次實驗前將配制好的納米流體超聲振蕩15 min,從而保證其在蒸發(fā)過程(<10 min)中處于穩(wěn)定狀態(tài)。

為減小基板表面粗糙度對實驗結(jié)果的影響,實驗前采用2 000目砂紙打磨的方法拋光銅基板表面,然后用乙醇、去離子水依次清洗該表面,用氮氣吹干。使用0.1 μL精度的微量進(jìn)樣器將2 μL、4 μL的液滴按照實驗對照要求滴在純銅基板表面,并用CCD相機實時記錄蒸發(fā)過程。

圖2 基板上的液滴形狀

(1)

(2)

(3)

采用圖像處理軟件DROPimage處理CCD相機不同時刻拍攝獲得的蒸發(fā)液滴圖片,可直接得到液滴接觸直徑D、液滴高度h、平均接觸角θ等形態(tài)參數(shù),由式(1)、(3)即可得液滴蒸發(fā)過程中不同時刻的接觸角、體積。進(jìn)一步對所獲得的液滴蒸發(fā)過程中體積數(shù)據(jù)進(jìn)行中心差分即可得到不同時刻液滴體積瞬態(tài)變化率,即液滴瞬態(tài)蒸發(fā)速率

(4)

式中:Vi為第i個測量數(shù)據(jù)點,Δt為數(shù)據(jù)點間隔時間,從相機捕捉到接觸線穩(wěn)定時刻開始計時(t=0 s)。實驗中光學(xué)接觸角測量儀(Ramé-hart290-U1)測量角度范圍在在0～180°,分辨率為0.01°,精度在±0.1°。對于100°以內(nèi)的接觸角測量,誤差范圍在±0.1%,由式(1)計算所得的接觸角,比儀器識別的接觸角小0～3°。因此,為了盡量減小接觸角的測量誤差,選用儀器識別的接觸角數(shù)據(jù)代入計算。

2 實驗結(jié)果及討論

基于上述實驗系統(tǒng)和方法,本文將研究納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0.1%、1%、2%),基板溫度(30 ℃、45 ℃、60 ℃、75 ℃)對CuO、Al2O3水基納米流體液滴瞬態(tài)蒸發(fā)速率特性的影響規(guī)律。實驗過程中環(huán)境溫度為23±1 ℃,濕度為50±2%,在維持實驗溫濕度穩(wěn)定的條件下,測試液滴的蒸發(fā)特性。

2.1 液滴形貌隨時間變化

為了分析納米流體液滴在加熱表面形貌隨時間變化特征,本文在實驗中進(jìn)行了可視化觀察?；鍦囟葹?0 ℃時,總蒸發(fā)時間約為480 s;基板溫度為60 ℃、75 ℃時,蒸發(fā)時間較短,最快20 s就蒸發(fā)完成了。為了更好呈現(xiàn)形貌變化,采用45 ℃基板溫度時的圖片及數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖3給出了基板溫度為45 ℃時,初始體積2 μL純水液滴與1%質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米流體液滴側(cè)視、俯視圖。從側(cè)視圖來看,在蒸發(fā)的大部分時間里,液滴均呈球冠狀,納米流體液滴的初始接觸角比純水液滴大,接觸半徑比純水液滴小。隨著蒸發(fā)的進(jìn)行,3種液滴的接觸角逐漸減小,接觸半徑不變,直到90 s時,仍能呈現(xiàn)較為規(guī)則的球冠狀。液滴中心的光圈是上方CCD相機的補光燈圈的倒影。從俯視圖來看,純水液滴在120 s時出現(xiàn)了坍縮,接觸線從一端開始滑移,液滴形狀開始變得不規(guī)則,接觸半徑逐漸縮小。而對于納米流體液滴,在蒸發(fā)開始時有一圈納米顆粒固定在三相接觸線(即固液接觸面的邊界線,這條線與固液氣均接觸)上,最終蒸發(fā)完成后留下較為均勻的沉積圖案。

圖3 基板溫度為45 ℃時(V0=2 μL)純水液滴與1%質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米流體液滴側(cè)視、俯視圖

基板溫度為30 ℃、60 ℃、75 ℃時,液滴形貌具有相同的變化特征,不再贅述。

圖4給出了基板溫度為45 ℃時,初始體積4μLAl2O3納米流體液滴接觸角、接觸半徑隨時間變化關(guān)系,可見0.1%、2%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米流體液滴在蒸發(fā)全程的接觸角均大于純水液滴。由于納米顆粒在液滴邊緣的沉積改變了固液界面張力,納米流體液滴具有較大的初始接觸角[18]。由于在遠(yuǎn)離三相接觸線的區(qū)域納米顆粒更容易聚集,顆粒不均勻沉淀,使得在納米顆粒覆蓋的區(qū)域更親水,接觸線區(qū)域顆粒較少從而更疏水。親水表面的表面能大于接觸線區(qū)域疏水表面,因此接觸線趨向于朝著親水區(qū)域吸附從而潤濕區(qū)域減小,導(dǎo)致接觸角增大。對同一種納米流體進(jìn)行實驗時發(fā)現(xiàn),隨著納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大,初始接觸角逐漸減小,這是由于在質(zhì)量分?jǐn)?shù)更大的納米流體液滴中,更多的顆粒在三相接觸線邊緣沉積下來。

圖4 基板溫度為45 ℃時(V0=4 μL)液滴接觸角、接觸半徑隨時間變化關(guān)系

蒸發(fā)前半段,3種液滴都屬于固定接觸線蒸發(fā),接觸角隨著時間逐漸減小。蒸發(fā)后半段,從190 s開始,純水液滴的接觸半徑減小,接觸線開始滑移;而納米流體液滴的接觸半徑仍然不變,與初始接觸半徑保持一致,這是納米顆粒在液滴邊緣的“釘扎效應(yīng)”導(dǎo)致的[19]?？v觀整個液滴壽命,同基板溫度下,同體積的純水、納米流體液滴比較,后者的三相接觸線在表面上保持更長時間的固定[18]。納米流體液滴總蒸發(fā)時間短于純水液滴,但是受CCD相機精度以及軟件辨識能力限制,當(dāng)液滴體積極小時,識別形貌困難,測量誤差較大,無法準(zhǔn)確測量接觸角、接觸半徑大小,因此不采用這些數(shù)據(jù)。

2.2 納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)對蒸發(fā)速率的影響

圖5給出了基板溫度為30 ℃時,不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的(V0=2 μL)Al2O3納米流體液滴瞬態(tài)蒸發(fā)速率對比?？傮w上看,3種液滴的瞬態(tài)蒸發(fā)速率都隨時間呈現(xiàn)逐步下降的趨勢,質(zhì)量分?jǐn)?shù)更高的納米流體液滴有著更快的瞬態(tài)蒸發(fā)速率。蒸發(fā)進(jìn)行到60 s時,純水、0.1% Al2O3、2% Al2O3納米流體液滴的瞬態(tài)蒸發(fā)速率分別為4.23 nL/s、4.47 nL/s、5.38 nL/s;蒸發(fā)進(jìn)行到260 s時,三者的瞬態(tài)蒸發(fā)速率分別為3.52 nL/s、3.54 nL/s、3.69 nL/s。納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時,納米流體液滴與純水液滴蒸發(fā)速率曲線非常接近。3類液滴中,2%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米流體液滴蒸發(fā)速率最快。

圖5 基板溫度為30 ℃時純水與Al2O3納米流體液滴瞬態(tài)蒸發(fā)速率隨時間變化關(guān)系

圖6給出了基板溫度為45 ℃時,不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的(V0=2 μL)Al2O3納米流體液滴瞬態(tài)蒸發(fā)速率隨時間變化關(guān)系。在蒸發(fā)前半段,純水液滴、Al2O3納米流體液滴蒸發(fā)速率均呈現(xiàn)下降趨勢,而且較為接近。蒸發(fā)進(jìn)行到45 s時,純水、0.1% Al2O3、2% Al2O3納米流體液滴的瞬態(tài)蒸發(fā)速率分別為12.6 nL/s、12.3 nL/s、12.9 nL/s,差距較小。隨著蒸發(fā)的進(jìn)行,純水液滴、0.1% Al2O3納米流體液滴的瞬態(tài)蒸發(fā)速率持續(xù)降低,而2% Al2O3納米流體液滴的瞬態(tài)蒸發(fā)速率開始明顯回升,速率曲線出現(xiàn)“上翹”趨勢。這說明基板溫度升高時,質(zhì)量分?jǐn)?shù)對液滴瞬態(tài)蒸發(fā)速率的影響更為顯著。

結(jié)合圖5和圖6可以得出:對于接近常溫、較低基板溫度下的液滴蒸發(fā),加入一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米顆粒,對液滴蒸發(fā)促進(jìn)效果不明顯,但是納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)更高的液滴擁有更快的瞬態(tài)蒸發(fā)速率;當(dāng)提高基板溫度時,納米流體液滴的換熱能力增強,2%質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米流體液滴的瞬態(tài)蒸發(fā)速率會隨時間呈現(xiàn)先降低后升高的特性。

圖6 基板溫度為45 ℃時純水與Al2O3納米流體液滴瞬態(tài)蒸發(fā)速率隨時間變化關(guān)系

液滴的蒸發(fā)速率隨著液滴表面平均溫度增加而增加[20]。30 ℃與環(huán)境溫度較接近,加入少量納米顆粒雖然增加了液滴的熱導(dǎo)率,但是在常溫下并不能有效提高液滴表面平均溫度,因此蒸發(fā)速率提升有限,表觀上不太明顯。當(dāng)基板溫度為45 ℃時,對于純水液滴,其表面平均溫度相比基板溫度有較大降低;對于納米流體液滴,顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到2%時能有效提高液滴熱導(dǎo)率,進(jìn)一步顯著提升液滴的表面平均溫度,從而提高瞬態(tài)蒸發(fā)速率。換熱表面積與納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)對液滴的瞬態(tài)蒸發(fā)速率影響存在競爭關(guān)系。蒸發(fā)開始時,液滴表面積的減小效應(yīng)較強,占據(jù)主導(dǎo),使得液滴的瞬態(tài)蒸發(fā)速率降低。隨著蒸發(fā)繼續(xù)進(jìn)行,納米顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸升高,液滴的熱導(dǎo)率逐步上升。此時液滴表面平均溫度上升效應(yīng)較強,占據(jù)主導(dǎo),使得液滴的瞬態(tài)蒸發(fā)速率回升,也就出現(xiàn)了圖6后半段的回升曲線。

2.3 基板溫度對蒸發(fā)速率的影響

圖7給出了基板溫度為60 ℃時,(V0=2 μL)納米流體液滴的瞬態(tài)蒸發(fā)速率曲線。圖7(a)中蒸發(fā)前半段,2%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Al2O3納米流體液滴蒸發(fā)速率較快,其他兩種液滴蒸發(fā)曲線較為接近,均隨著時間逐漸降低。蒸發(fā)后半段,0.1%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米流體液滴瞬態(tài)蒸發(fā)速率持續(xù)下降,末端時刻有少許回升,而1%、2%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米流體液滴蒸發(fā)速率出現(xiàn)大幅回升。不同于30 ℃、45 ℃基板溫度時的情況,此時1%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米流體液滴回升趨勢更明顯,回升后的瞬態(tài)蒸發(fā)速率大大超過2%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米流體液滴。

圖7(b)中蒸發(fā)前半段,3種液滴的瞬態(tài)蒸發(fā)速率均隨著時間逐漸降低;蒸發(fā)后半段,0.1%質(zhì)量分?jǐn)?shù)CuO納米流體液滴的瞬態(tài)蒸發(fā)速率持續(xù)降低,1%、2%質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米流體液滴的蒸發(fā)速率出現(xiàn)回升。同Al2O3納米流體一致,仍然是1%質(zhì)量分?jǐn)?shù)液滴瞬態(tài)蒸發(fā)速率的回升趨勢更明顯,回升后的瞬態(tài)蒸發(fā)速率大大超過0.1%、2%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米流體液滴。可見,基板溫度進(jìn)一步升高時,并不是越大質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米流體液滴蒸發(fā)速率越快,而是選取較為適中的納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù),更能促進(jìn)蒸發(fā)后半段納米流體液滴瞬態(tài)蒸發(fā)速率的升高。

圖7 基板溫度為60 ℃時納米流體液滴瞬態(tài)蒸發(fā)速率隨時間變化關(guān)系

圖8給出了基板溫度為75 ℃時,(V0=4 μL)納米流體液滴的瞬態(tài)蒸發(fā)速率曲線。圖8(a)中,對于2%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Al2O3納米流體液滴,瞬態(tài)蒸發(fā)速率隨著時間推移略有降低;對于0.1%、1%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的液滴,瞬態(tài)蒸發(fā)速率隨著時間先降低后升高。1%質(zhì)量分?jǐn)?shù)液滴、0.1%質(zhì)量分?jǐn)?shù)液滴、2%質(zhì)量分?jǐn)?shù)液滴的瞬態(tài)蒸發(fā)速率平均值由大到小排列。

圖8(b)中,對于0.1%、2%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的CuO納米流體液滴,瞬態(tài)蒸發(fā)速率隨著時間逐漸降低,后者的蒸發(fā)速率在蒸發(fā)過程末端有提升;對于1%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的液滴,瞬態(tài)蒸發(fā)速率隨著時間逐漸升高。從整體大小來看,1%質(zhì)量分?jǐn)?shù)液滴、0.1%質(zhì)量分?jǐn)?shù)液滴、2%質(zhì)量分?jǐn)?shù)液滴的瞬態(tài)蒸發(fā)速率平均值由大到小排列?？梢?基板溫度較高時,過高或過低質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米流體液滴瞬態(tài)蒸發(fā)速率較慢,且隨著時間逐漸降低;適中質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米流體液滴瞬態(tài)蒸發(fā)速率較快,且隨著時間逐漸升高。

圖8 基板溫度為75 ℃時納米流體液滴瞬態(tài)蒸發(fā)速率隨時間變化關(guān)系

綜合圖7、圖8可以得出:基板溫度為60 ℃時,納米流體液滴的瞬態(tài)蒸發(fā)速率呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢,且質(zhì)量分?jǐn)?shù)適中的納米流體液滴在蒸發(fā)后半段的回升趨勢更為明顯,1%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的液滴“回升”效果好;基板溫度為75 ℃時,納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高或過低都不利于促進(jìn)液滴蒸發(fā),對應(yīng)納米流體液滴的瞬態(tài)蒸發(fā)速率隨著時間逐漸降低,而適中質(zhì)量分?jǐn)?shù)的液滴瞬態(tài)蒸發(fā)速率較快,且隨著時間推移逐漸升高。

當(dāng)基板溫度較高時,并不是加入越多的納米顆粒越能促進(jìn)液滴蒸發(fā)。質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低(如0.1%)時,納米顆粒對液滴的熱導(dǎo)率提升不明顯;質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高(如2%)時,高溫基板使得液滴粘稠度增大,大量的顆粒聚集引起的粘性力對液滴蒸發(fā)有阻礙作用,而且顆粒沉積層增大了基板與液體之間的傳熱熱阻,所以適中質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米流體液滴蒸發(fā)特性最好。本實驗中,60 ℃、75 ℃基板溫度下,1%質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米流體液滴表現(xiàn)出的瞬態(tài)蒸發(fā)速率最高。

3 結(jié)論

(1)納米顆粒的加入有利于提升液滴蒸發(fā)速率,當(dāng)基板溫度為30 ℃時,0.1%顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米流體液滴瞬態(tài)蒸發(fā)速率提升效果不明顯,2%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的液滴具有較大瞬態(tài)蒸發(fā)速率。

(2)當(dāng)基板溫度為45 ℃時,與純水液滴瞬態(tài)蒸發(fā)速率單調(diào)遞減規(guī)律不同,2%質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米流體液滴的瞬態(tài)蒸發(fā)速率隨時間呈現(xiàn)先降低后升高的變化規(guī)律。

(3)在較高基板溫度(60 ℃、75 ℃)時,納米顆粒對液滴瞬態(tài)蒸發(fā)速率提升作用并不是隨著顆粒濃度的增加而增加,實驗發(fā)現(xiàn)1%質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米流體液滴蒸發(fā)速率要高于0.1%與2%質(zhì)量分?jǐn)?shù)液滴。這是因為質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過一定值后,較厚的顆粒沉積層會增加基板與液體之間的傳熱熱阻,從而弱化了液滴內(nèi)部傳熱。