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        通過調控液滴蒸發抑制表面產生咖啡環效應實現微粒均勻沉積

        更新時間:2020-04-03       點擊次數:4188

        關鍵詞:咖啡環效應,均勻沉積,接觸角,蒸發模式

        簡介:在懸浮液蒸發過程中,必免咖啡環效應,實現固體顆粒的均勻沉積,是科學技術領域的巨大挑戰。Butt等人提出了通過調控液滴蒸發,抑制表面產生咖啡環效應,實現微粒均勻沉積的新策略。該研究對很多領域有重要的潛在應用價值

            含有固體顆粒的液滴如何從固體表面蒸發是一個復雜的過程,研究該蒸發過程有利于揭示科學本質和規律。在質量和傳熱的共同作用下,導致產生了一些有趣的現象如“咖啡環效應”--它描述了固體表面上液滴蒸發后膠體粒子產生的不均勻環狀沉積(圖1)。避免“咖啡環效應”實現膠體粒子的均勻沉積在很多領域都是關鍵,如生物傳感器、噴墨打印、噴灑農藥、水性涂料應用、光子學等。近,Butt等人研究了通過在固體表面進行油膜包覆,調控水滴蒸發過程,抑制“咖啡環效應”產生,實現了不對稱超微粒的制備。

         

          

         

         

         

         

         

         

        1: 由表面輪廓儀記錄墨水中的顆粒的環狀沉積,即咖啡環效應

         

        如何抑制“咖啡環效應”產生,實現膠體粒子的均勻沉積?

        為了清楚理解液滴蒸發過程,Butt等人研究了在表面有油膜和無油膜時液滴的蒸發。如圖2所示,在表面涂有油膜的液滴蒸發得更慢,形成更均勻的圖案。蒸發過程中,液滴表面(a)上有兩條明顯的接觸線(界面):液體-液體-空氣接觸線(CLLA)和液體-液體-固體接觸線(CLLS)。相比之下,由于液滴內部向外產生的毛細流動,在沒有修飾的玻璃表面(b)上的液滴蒸發速度明顯加快,而且只有一條接觸線,即液--固接觸線(CLAS),并產生了典型的咖啡環。

         

        2: a 有油膜表面的蒸發過程。(b 無油膜表面的蒸發過程。

        黃色-油相;藍色-水滴;藍色箭頭-蒸發。

               此外,圖2a)說明膠體顆粒有從體相向界面(CLLA)上遷移并在那里聚集的趨勢。這種現象是由于在油膜的水滴表面在底邊CLLS位置的蒸發受阻造成的(黃色區域)。只有在液滴中沒有被油膜覆蓋的區域才會發生蒸發,這種局部蒸發導致液滴內顆粒物質的向上流動。這些集中到液滴上表面的粒子,在蒸發過程中更容易在基底上發生均勻沉積。油的粘度、油膜厚度、液滴尺寸和膠體粒子的濃度都對沉積模式有影響。

         

               為了更深入地理解蒸發過程中的顆粒流動模式,他們使用熒光聚苯乙烯顆粒作為示蹤劑,并通過激光共焦顯微鏡跟蹤這一過程。結果表明,在表面有油膜的液滴其沉積半徑隨時間而減小,但是其在油滴邊緣的接觸角變化不大(CCA模式,接觸角不變)。這一現象表明在隨著液滴邊緣不斷后退,膠體顆粒被釘在基底表面并不是立即產生的。

         

        3: 油膜表面水滴蒸發機理研究

         

               相比之下,在無油膜液滴的表面,沉積半徑基本沒有變化,并且接觸角比有油膜液滴的表面小得多,并且在整個蒸發過程中接觸角逐漸減?。?span style="font-family:times new roman,serif">CCR模式,底圓半徑不變)。這是因為對于無油膜液滴表面,顆粒在蒸發開始時已經被固定在表面上。

        這項研究證明了一種新的策略,通過在固體表面進行油膜包覆,調控水滴蒸發速率、機理和過程,使液滴在有油膜的表面發生蒸發來避免“咖啡環效應”(非均勻沉積)的產生,從而在液滴蒸發過程中保證懸浮膠體顆粒的均勻沉積。Butt等指出在有油膜的表面上的液滴蒸發分兩個階段進行(如圖3所示):首先,由于水蒸發僅發生在未覆蓋油膜的液滴區域,液滴中產生向上流動,將顆粒帶到上表面層并形成粒子單層,一段時間后液滴表面被顆粒*占據(第1階段)。在水滴進一步蒸發失水后,上表面的顆粒層將沉積在基底上,導致顆粒分布非常均勻,實現均勻沉積和分布(第2階段)。

         

        使用儀器:dataphysics OCA 35 接觸角測量儀, DCAT 11 /界面張力儀

         (廠家:Dataphysics Instruments GmbH, 德國)

         

        詳閱文獻: Control of Droplet Evaporation on Oil-Coated Surfaces for the Synthesis of Asymmetric Supraparticles; Aiting Gao, Jie Liu, Lijun Ye, Clarissa Scho?necker, Michael Kappl, Hans-Ju?rgen Butt and Werner Steffen; Langmuir 2019 35, 1404214048; DOI: 10.1021/acs.langmuir.9b02464

         

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