【摘 要】
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表面润湿性一直是影响表面科学、流体流动和传热等广泛领域的重要因素。液滴在固体基底上的润湿在表面涂层、采油等领域有着广泛的应用,在自然界和工业中都是非常普遍和关键的。研究固-液相互作用对液体在固体表面润湿的影响至关重要。然而,尽管液滴在固体基质上的润湿已经得到了广泛的研究,但对于固-液相互作用如何控制基底疏水性和润湿现象的基本理解仍然缺乏,水资源的污染对环境安全造成了不利影响,固体表面润湿性在油水分
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表面润湿性一直是影响表面科学、流体流动和传热等广泛领域的重要因素。液滴在固体基底上的润湿在表面涂层、采油等领域有着广泛的应用,在自然界和工业中都是非常普遍和关键的。研究固-液相互作用对液体在固体表面润湿的影响至关重要。然而,尽管液滴在固体基质上的润湿已经得到了广泛的研究,但对于固-液相互作用如何控制基底疏水性和润湿现象的基本理解仍然缺乏,水资源的污染对环境安全造成了不利影响,固体表面润湿性在油水分离领域的问题也亟待解决。采用Lennard–Jones（L–J）势能函数进行分子动力学模拟（MDs）,分别研究了纳米油滴、水滴和油水混合液滴在光滑和粗糙聚四氟乙烯（PTFE）壁面上的润湿行为。模拟在Large–scale atomic/Molecular Massively Parallel Simulator（LAMMPS）软件上进行。结果表明,在光滑壁面上通过改变截断半径、分子数,观察到纳米油滴铺展在壁面上,接触角约为20?;而纳米水滴仅轻微润湿于壁面,接触角大于90?。这表明,PTFE表面对正辛烷和水纳米液滴的亲和力差异较大。在粗糙壁面上主要通过改变凹槽宽度和深度来调整相面积分数f和粗糙度因子r。同时研究了基底表面形貌和液滴的化学性质对纳米液滴润湿性的影响,详细讨论了两种纯液滴在栏栅型、凹坑型和凸柱型粗糙PTFE上的润湿性。结果表明,在栏栅型粗糙表面,观察到当r小于2.33时,正辛烷和水纳米液滴在壁面上均为Wenzel态;随着r增大到3.67时,纳米水滴则呈现Cassie润湿态,而纳米油滴仍为Wenzel态。在凹坑型粗糙表面,当r=3.61时,正辛烷在表面呈Wenzel态,此时水滴呈Cassie态;当f=0.84时,正辛烷仍呈Wenzel态,水滴虽呈Transition态,但是只有较少数的水分子在凹槽上边沿。在凸柱型粗糙表面,当f=0.36和r=3.61这两种条件时,正辛烷可以完全浸润凹槽,水滴呈现Cassie态。这表明,本文构建的特殊浸湿性PTFE表面具有实现油水分离的潜力。纯组分液滴在粗糙表面的模拟为油水混合液滴分离的模拟提供了方向。对于油水混合液滴,在光滑表面分离效率为75%,这种亲油疏水表面显示出油水分离的可能性。在栏栅型粗糙表面,当凹槽深度较大f=0.41时,分离效率为77%,该表面实现了正辛烷-水混合物纳米液滴的初步分离。改变表面形貌为凹坑型粗糙表面,当凹槽宽度较小f=0.84时,分离效率为98.7%。在凸柱型PTFE表面f=0.16时,油水液滴的分离效果最佳,可完全分离,分离效率达到99.8%,此时为超亲油超疏水表面。因此,这种具有特殊润湿性的粗糙PTFE表面可以实现正辛烷-水混合物分离。
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