表面活性劑對(duì)水滴在超疏水表面撞擊行為的多維度影響研究

一、引言1.1研究背景與意義液滴與固體表面的撞擊現(xiàn)象在自然界和生產(chǎn)生活中廣泛存在，如雨水落在荷葉上會(huì)快速滾落，農(nóng)藥噴灑在植物葉片上，噴墨打印時(shí)墨滴撞擊紙張等。其中，水滴撞擊超疏水表面的行為因其獨(dú)特的性質(zhì)和廣泛的應(yīng)用前景，成為了眾多領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。超疏水表面是指與水的接觸角大于150°且滾動(dòng)角小于10°的表面，具有自清潔、防霧防霜、抗結(jié)冰、高效冷凝等優(yōu)異特性，在環(huán)境、能源、醫(yī)療、生物、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。在自清潔領(lǐng)域，超疏水表面的低粘附性使得水滴能夠快速帶走表面的灰塵和污垢，保持表面的清潔；在防冰領(lǐng)域，水滴在超疏水表面難以附著和凍結(jié)，可有效防止冰的形成對(duì)設(shè)備造成損害；在能源領(lǐng)域，超疏水表面可用于提高冷凝效率，實(shí)現(xiàn)高效的能量轉(zhuǎn)換；在醫(yī)療領(lǐng)域，超疏水表面能夠有效地防止細(xì)菌和病毒等微生物的附著和繁殖，可用于制備醫(yī)用敷料、醫(yī)用設(shè)備等；在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，了解水滴在超疏水植物葉片表面的撞擊行為，有助于提高農(nóng)藥的利用率，減少農(nóng)藥的浪費(fèi)和對(duì)環(huán)境的污染。然而，在一些情況下，液滴撞擊不僅可能導(dǎo)致超疏水功能的失效，甚至導(dǎo)致材料本身的破壞。例如，在高速氣流中，水滴撞擊超疏水表面可能會(huì)產(chǎn)生飛濺和反彈，影響表面的性能；在強(qiáng)風(fēng)環(huán)境下，雨滴撞擊超疏水表面可能會(huì)導(dǎo)致表面的磨損和損壞。因此，深入研究水滴在超疏水表面的撞擊行為，對(duì)于拓展超疏水表面的應(yīng)用范圍、提高其性能和穩(wěn)定性具有重要意義。表面活性劑是一類具有兩親性結(jié)構(gòu)的分子，能夠降低液體表面張力，改變液滴與固體表面之間的相互作用。在水滴撞擊超疏水表面的過(guò)程中，表面活性劑的加入可以顯著影響液滴的撞擊行為，如鋪展、回縮、反彈和濺射等。研究表面活性劑對(duì)水滴在超疏水表面撞擊行為的影響，有助于揭示液滴與固體表面之間的相互作用機(jī)制，為調(diào)控液滴的撞擊行為提供理論依據(jù)。在農(nóng)藥噴灑過(guò)程中，由于植物葉片表面通常具有疏水性或超疏水性，導(dǎo)致大量農(nóng)藥液滴在葉片表面反彈和飛濺，只有很小一部分農(nóng)藥能有效地用于控制目標(biāo)植物上的雜草和害蟲，造成了農(nóng)藥的浪費(fèi)和環(huán)境污染。通過(guò)添加表面活性劑，可以改善農(nóng)藥液滴在葉片表面的沉積和鋪展性能，提高農(nóng)藥的利用率，減少農(nóng)藥的使用量，從而降低對(duì)環(huán)境的危害。在噴墨打印中，表面活性劑可以調(diào)節(jié)墨滴與打印介質(zhì)之間的相互作用，提高打印質(zhì)量和精度。此外，研究表面活性劑對(duì)水滴在超疏水表面撞擊行為的影響，還可以為開發(fā)新型的超疏水材料和表面處理技術(shù)提供指導(dǎo)。通過(guò)合理設(shè)計(jì)表面活性劑的分子結(jié)構(gòu)和濃度，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)超疏水表面性能的優(yōu)化，使其更好地滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。水滴在超疏水表面的撞擊行為以及表面活性劑在其中的作用研究，不僅具有重要的理論意義，能夠深化對(duì)液固界面相互作用的理解，而且在實(shí)際應(yīng)用中具有廣泛的價(jià)值，有助于解決農(nóng)業(yè)、能源、材料等多個(gè)領(lǐng)域的關(guān)鍵問(wèn)題，推動(dòng)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1水滴在超疏水表面撞擊行為的研究水滴在超疏水表面的撞擊行為是一個(gè)復(fù)雜的多物理過(guò)程，涉及到流體力學(xué)、表面物理和熱力學(xué)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。近年來(lái)，隨著材料科學(xué)和實(shí)驗(yàn)技術(shù)的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)這一領(lǐng)域進(jìn)行了廣泛而深入的研究，取得了豐碩的成果。在實(shí)驗(yàn)研究方面，高速攝影技術(shù)和微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）傳感器的應(yīng)用，使得研究者能夠精確地觀測(cè)和測(cè)量水滴在超疏水表面撞擊過(guò)程中的形態(tài)演變、接觸時(shí)間、接觸力等關(guān)鍵參數(shù)。清華大學(xué)航天航空學(xué)院呂存景副教授、馮西橋教授課題組通過(guò)細(xì)致的實(shí)驗(yàn)測(cè)量和理論分析，首次報(bào)道了水滴撞擊超疏水表面過(guò)程中的動(dòng)態(tài)作用力峰值隨韋伯?dāng)?shù)（Webernumber，We）的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在低速撞擊情況下（We=9附近），在水滴回彈階段出現(xiàn)的第二個(gè)峰值力居然可以遠(yuǎn)大于初始撞擊階段的峰值力。他們的研究成果為理解水滴與超疏水表面的動(dòng)態(tài)相互作用以及設(shè)計(jì)具有高穩(wěn)定性疏水功能的材料提供了新的視角。上海交通大學(xué)王如竹教授領(lǐng)銜的“能源-水-空氣”交叉學(xué)科創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)ITEWA在國(guó)際材料領(lǐng)域期刊AdvancedMaterials上發(fā)表的綜述論文，全面總結(jié)了液滴撞擊超疏水表面的現(xiàn)象、機(jī)理、調(diào)控和應(yīng)用方面的進(jìn)展。論文指出，根據(jù)液滴與表面的接觸關(guān)系，可將液滴撞擊常規(guī)超疏水平面過(guò)程分為液滴接觸階段與回彈階段。液滴接觸階段的固液接觸長(zhǎng)度與接觸時(shí)間，以及液滴回彈階段的回彈速度與回彈方向是需要關(guān)注與調(diào)控的關(guān)鍵動(dòng)力學(xué)特性。在數(shù)值模擬方面，計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法的發(fā)展為研究水滴在超疏水表面的撞擊行為提供了有力的工具。研究者通過(guò)建立合理的物理模型和數(shù)值算法，能夠模擬水滴在超疏水表面的鋪展、回縮、反彈和濺射等復(fù)雜過(guò)程，深入探討撞擊過(guò)程中的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、能量轉(zhuǎn)換和動(dòng)量傳遞等機(jī)制。有學(xué)者利用VOF（VolumeofFluid）方法對(duì)水滴撞擊超疏水表面的過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了不同撞擊速度和表面粗糙度對(duì)水滴撞擊行為的影響。模擬結(jié)果表明，隨著撞擊速度的增加，水滴的鋪展直徑和反彈高度增大，接觸時(shí)間縮短；表面粗糙度的增加會(huì)導(dǎo)致水滴的反彈和濺射現(xiàn)象加劇。還有研究通過(guò)LBM（LatticeBoltzmannMethod）方法模擬了水滴在微納結(jié)構(gòu)超疏水表面的撞擊過(guò)程，分析了微納結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)對(duì)水滴撞擊行為的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)的存在可以顯著降低水滴的接觸時(shí)間和反彈高度，提高超疏水表面的抗沖擊性能。在理論研究方面，研究者們提出了各種理論模型來(lái)解釋水滴在超疏水表面的撞擊行為，如基于能量守恒和動(dòng)量守恒的理論模型、考慮表面張力和粘性力的理論模型等。這些理論模型為深入理解水滴與超疏水表面之間的相互作用機(jī)制提供了理論基礎(chǔ)，同時(shí)也為實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬提供了指導(dǎo)。有學(xué)者基于能量守恒原理，建立了水滴在超疏水表面撞擊的理論模型，推導(dǎo)出了水滴的鋪展直徑和接觸時(shí)間與撞擊速度、表面張力等參數(shù)之間的關(guān)系。該理論模型能夠較好地解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為預(yù)測(cè)水滴在超疏水表面的撞擊行為提供了一種有效的方法。還有研究考慮了表面張力和粘性力的影響，建立了水滴在超疏水表面回縮過(guò)程的理論模型，分析了回縮過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)表面張力和粘性力對(duì)水滴的回縮速度和回縮時(shí)間有重要影響。1.2.2表面活性劑對(duì)水滴在超疏水表面撞擊行為影響的研究表面活性劑對(duì)水滴在超疏水表面撞擊行為的影響是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)之一。表面活性劑分子具有兩親性結(jié)構(gòu)，能夠降低液體表面張力，改變液滴與固體表面之間的相互作用，從而顯著影響水滴在超疏水表面的撞擊行為。在實(shí)驗(yàn)研究方面，學(xué)者們通過(guò)在水滴中添加不同類型和濃度的表面活性劑，觀察和測(cè)量水滴在超疏水表面撞擊過(guò)程中的各種參數(shù)變化，研究表面活性劑對(duì)水滴撞擊行為的影響規(guī)律。河南農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院宋美榮教授團(tuán)隊(duì)對(duì)比了幾十種表面活性劑，進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)，從理論上突破了液滴在撞擊的第一階段，即鋪展階段（兩毫秒內(nèi)）不能潤(rùn)濕表面的認(rèn)識(shí)誤區(qū)，提出利用囊泡性表面活性劑AOT較好地解決水滴在超疏水表面上的撞擊彈射和濺射問(wèn)題。中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所王毅琳研究員概述了緩釋和高速撞擊液滴在疏水/超疏水基材上沉積和鋪展性能的影響因素，并強(qiáng)調(diào)了表面活性劑在界面和溶液中快速聚集的影響。表面活性劑分子的兩親性賦予它們?cè)谝?空氣和固/液界面上強(qiáng)大的吸附能力，并從根本上降低界面自由能，從而產(chǎn)生更小的接觸角，促進(jìn)液滴在超疏水表面的沉積和鋪展。然而，當(dāng)水滴高速撞擊疏水/超疏水基材時(shí)，沉積和鋪展變得更加困難，因?yàn)閬?lái)自不可潤(rùn)濕表面的高回彈能和排斥力會(huì)導(dǎo)致水滴劇烈彈跳或飛濺。特別是對(duì)于超疏水表面，在最初鋪展后，水滴會(huì)反沖并最終從表面反彈。此外，表面活性劑無(wú)法抑制回彈，因?yàn)樽矒粢旱闻c超疏水表面的接觸時(shí)間太短，無(wú)法讓表面活性劑吸附到?jīng)_擊產(chǎn)生的新鮮界面上。在數(shù)值模擬方面，研究者們通過(guò)建立考慮表面活性劑作用的數(shù)值模型，模擬表面活性劑對(duì)水滴在超疏水表面撞擊行為的影響。有研究利用分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬方法，研究了表面活性劑分子在液滴與超疏水表面界面處的吸附和排列行為，以及表面活性劑對(duì)液滴與表面之間相互作用力的影響。模擬結(jié)果表明，表面活性劑分子在界面處的吸附可以降低液滴與表面之間的接觸角，減小液滴的表面張力，從而影響水滴的撞擊行為。在理論研究方面，學(xué)者們從分子層面和宏觀層面探討了表面活性劑對(duì)水滴在超疏水表面撞擊行為的影響機(jī)制。從分子層面來(lái)看，表面活性劑分子的兩親性結(jié)構(gòu)使其能夠在液滴表面和液固界面上吸附和排列，改變界面的物理性質(zhì)，從而影響水滴的撞擊行為。從宏觀層面來(lái)看，表面活性劑的加入可以降低液滴的表面張力，改變液滴的流變性質(zhì)，進(jìn)而影響水滴在超疏水表面的鋪展、回縮、反彈和濺射等過(guò)程。1.3研究?jī)?nèi)容與方法本研究旨在深入探究表面活性劑對(duì)水滴在超疏水表面撞擊行為的影響，綜合運(yùn)用實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值模擬和理論分析等方法，從多個(gè)角度揭示其內(nèi)在機(jī)制和規(guī)律。1.3.1研究?jī)?nèi)容超疏水表面的制備與表征：采用化學(xué)刻蝕法、溶膠-凝膠法、模板法等方法制備具有不同微納結(jié)構(gòu)的超疏水表面，通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）、原子力顯微鏡（AFM）等手段對(duì)表面的微觀形貌進(jìn)行表征，利用接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)量表面的靜態(tài)接觸角和滾動(dòng)角，以確定表面的超疏水性能。表面活性劑溶液的配制與性質(zhì)測(cè)定：選擇不同類型的表面活性劑，如陰離子表面活性劑（如十二烷基硫酸鈉SDS、十二烷基苯磺酸鈉SDBS）、陽(yáng)離子表面活性劑（如十六烷基三甲基溴化銨CTAB）、非離子表面活性劑（如聚氧乙烯失水山梨醇單油酸酯Tween-80）和兩性離子表面活性劑（如十二烷基二甲基甜菜堿BS-12），配制一系列不同濃度的表面活性劑水溶液。使用表面張力儀測(cè)量溶液的表面張力，通過(guò)動(dòng)態(tài)光散射（DLS）技術(shù)測(cè)定表面活性劑分子在溶液中的聚集狀態(tài)和粒徑分布，為后續(xù)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。表面活性劑對(duì)水滴在超疏水表面撞擊行為的實(shí)驗(yàn)研究：搭建高精度的液滴撞擊實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用高速攝像機(jī)以高幀率記錄水滴在超疏水表面撞擊過(guò)程中的形態(tài)演變，包括鋪展、回縮、反彈和濺射等階段。通過(guò)力傳感器測(cè)量水滴與表面之間的相互作用力，結(jié)合圖像分析和數(shù)據(jù)處理技術(shù)，獲取水滴的鋪展直徑、接觸時(shí)間、反彈高度、濺射液滴數(shù)量和大小等關(guān)鍵參數(shù)。研究不同表面活性劑類型、濃度以及水滴撞擊速度、溫度等因素對(duì)水滴撞擊行為的影響規(guī)律，分析表面活性劑在液滴與表面相互作用過(guò)程中的作用機(jī)制。表面活性劑對(duì)水滴在超疏水表面撞擊行為的數(shù)值模擬研究：基于計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法，采用VOF（VolumeofFluid）模型或LBM（LatticeBoltzmannMethod）模型，建立考慮表面活性劑作用的水滴撞擊超疏水表面的數(shù)值模型。在模型中，考慮表面活性劑分子在液滴表面和液固界面的吸附、擴(kuò)散和排列行為，以及表面活性劑對(duì)液滴表面張力、界面張力和流變性質(zhì)的影響。通過(guò)數(shù)值模擬，深入研究水滴撞擊過(guò)程中的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、速度分布、壓力分布和能量轉(zhuǎn)換等微觀機(jī)制，分析表面活性劑對(duì)這些物理量的影響規(guī)律，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，進(jìn)一步揭示表面活性劑對(duì)水滴撞擊行為的作用機(jī)制。表面活性劑對(duì)水滴在超疏水表面撞擊行為影響的理論分析：從分子層面和宏觀層面建立理論模型，分析表面活性劑對(duì)水滴在超疏水表面撞擊行為的影響機(jī)制。在分子層面，基于分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬和量子化學(xué)計(jì)算，研究表面活性劑分子與水分子、固體表面原子之間的相互作用力，以及表面活性劑分子在液滴表面和液固界面的吸附、排列和擴(kuò)散行為，揭示表面活性劑降低液滴表面張力和改變液固界面性質(zhì)的微觀機(jī)制。在宏觀層面，基于流體力學(xué)理論和能量守恒定律，建立考慮表面活性劑作用的水滴撞擊超疏水表面的動(dòng)力學(xué)模型，推導(dǎo)水滴的鋪展直徑、接觸時(shí)間、反彈高度等參數(shù)與表面活性劑性質(zhì)、水滴撞擊條件之間的定量關(guān)系，為實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬提供理論指導(dǎo)。表面活性劑在實(shí)際應(yīng)用中的效果評(píng)估：將研究成果應(yīng)用于農(nóng)藥噴灑、噴墨打印等實(shí)際場(chǎng)景，評(píng)估表面活性劑對(duì)提高液滴在超疏水表面沉積效率和均勻性的效果。在農(nóng)藥噴灑實(shí)驗(yàn)中，對(duì)比添加表面活性劑前后農(nóng)藥液滴在超疏水植物葉片表面的沉積量、分布均勻性和農(nóng)藥利用率，分析表面活性劑對(duì)減少農(nóng)藥浪費(fèi)和環(huán)境污染的作用。在噴墨打印實(shí)驗(yàn)中，觀察添加表面活性劑后墨滴在超疏水打印介質(zhì)表面的打印質(zhì)量，如線條清晰度、色彩飽和度和分辨率等，評(píng)估表面活性劑對(duì)提高打印質(zhì)量和精度的影響。1.3.2研究方法實(shí)驗(yàn)研究方法：超疏水表面制備實(shí)驗(yàn)：根據(jù)不同的制備方法，準(zhǔn)備相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)材料和設(shè)備。在化學(xué)刻蝕法中，使用化學(xué)試劑對(duì)基底材料進(jìn)行刻蝕處理，通過(guò)控制刻蝕時(shí)間、溫度和試劑濃度等參數(shù)，制備出具有不同粗糙度和微納結(jié)構(gòu)的超疏水表面。在溶膠-凝膠法中，將金屬醇鹽或有機(jī)硅化合物等前驅(qū)體溶解在溶劑中，加入催化劑和添加劑，通過(guò)水解和縮聚反應(yīng)形成溶膠，再將溶膠涂覆在基底表面，經(jīng)過(guò)干燥和熱處理后得到超疏水表面。在模板法中，利用具有特定結(jié)構(gòu)的模板，如納米球模板、多孔氧化鋁模板等，通過(guò)填充、復(fù)制等方式制備出具有與模板結(jié)構(gòu)互補(bǔ)的超疏水表面。制備完成后，使用SEM、AFM等儀器對(duì)表面微觀形貌進(jìn)行觀察和分析，利用接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)量表面的接觸角和滾動(dòng)角，以確定表面的超疏水性能是否符合要求。表面活性劑溶液配制與性質(zhì)測(cè)定實(shí)驗(yàn)：按照所需的濃度和類型，準(zhǔn)確稱取表面活性劑樣品，加入適量的去離子水，使用磁力攪拌器或超聲振蕩器進(jìn)行充分?jǐn)嚢韬腿芙?，配制出一系列不同濃度的表面活性劑水溶液。使用表面張力儀，采用白金板法或懸滴法等方法測(cè)量溶液的表面張力，記錄表面張力隨表面活性劑濃度的變化曲線。通過(guò)DLS技術(shù)，將表面活性劑溶液注入樣品池中，利用激光照射溶液，測(cè)量散射光的強(qiáng)度和頻率變化，從而得到表面活性劑分子在溶液中的聚集狀態(tài)和粒徑分布信息。液滴撞擊實(shí)驗(yàn)：搭建液滴撞擊實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)主要包括液滴產(chǎn)生裝置、高速攝像系統(tǒng)、力傳感器和超疏水表面固定裝置等部分。液滴產(chǎn)生裝置可以采用微量注射泵、壓電噴頭或重力滴下裝置等，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求精確控制液滴的大小和產(chǎn)生頻率。高速攝像系統(tǒng)用于拍攝液滴撞擊過(guò)程，其幀率應(yīng)滿足能夠清晰捕捉液滴形態(tài)變化的要求，一般不低于10000幀/秒。力傳感器安裝在超疏水表面下方，用于測(cè)量液滴與表面之間的相互作用力，其靈敏度和響應(yīng)頻率應(yīng)足夠高，以準(zhǔn)確測(cè)量動(dòng)態(tài)力的變化。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將超疏水表面固定在水平位置，調(diào)節(jié)液滴產(chǎn)生裝置的高度和角度，使水滴以一定的速度和角度撞擊超疏水表面。同時(shí)，啟動(dòng)高速攝像系統(tǒng)和力傳感器，同步記錄液滴撞擊過(guò)程中的形態(tài)演變和相互作用力變化。通過(guò)改變表面活性劑類型、濃度、水滴撞擊速度和溫度等實(shí)驗(yàn)條件，進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)，獲取大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。數(shù)值模擬方法：模型建立：在CFD軟件中，如ANSYSFluent、OpenFOAM等，基于VOF模型或LBM模型建立水滴撞擊超疏水表面的數(shù)值模型。在VOF模型中，通過(guò)求解體積分?jǐn)?shù)方程來(lái)追蹤液-氣界面的位置和形狀，考慮表面張力、粘性力和慣性力等因素對(duì)液滴運(yùn)動(dòng)的影響。在LBM模型中，將流體視為由大量虛擬粒子組成，通過(guò)求解粒子的分布函數(shù)來(lái)模擬流體的流動(dòng)，該模型能夠較好地處理復(fù)雜邊界條件和多相流問(wèn)題。在模型中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)制備的超疏水表面微觀形貌，建立相應(yīng)的幾何模型，考慮表面粗糙度和微納結(jié)構(gòu)對(duì)液滴與表面相互作用的影響。同時(shí)，引入表面活性劑的作用，通過(guò)設(shè)置表面活性劑分子在液滴表面和液固界面的吸附、擴(kuò)散和排列參數(shù)，以及表面活性劑對(duì)液滴表面張力、界面張力和流變性質(zhì)的影響函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)表面活性劑作用的模擬。參數(shù)設(shè)置與求解：根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件，設(shè)置數(shù)值模型的參數(shù)，包括水滴的初始速度、直徑、密度和粘度，超疏水表面的接觸角和滾動(dòng)角，以及表面活性劑溶液的表面張力、界面張力和流變參數(shù)等。選擇合適的數(shù)值求解方法和時(shí)間步長(zhǎng)，進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。在計(jì)算過(guò)程中，監(jiān)測(cè)液滴的形態(tài)演變、流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和相互作用力等物理量的變化，確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。結(jié)果分析與驗(yàn)證：對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行后處理，通過(guò)繪制液滴形態(tài)隨時(shí)間的變化圖、流場(chǎng)結(jié)構(gòu)分布圖、相互作用力隨時(shí)間的變化曲線等，分析表面活性劑對(duì)水滴撞擊行為的影響機(jī)制。將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，通過(guò)比較液滴的鋪展直徑、接觸時(shí)間、反彈高度等關(guān)鍵參數(shù)，評(píng)估數(shù)值模型的準(zhǔn)確性和可靠性。如果模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在較大差異，分析原因并對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，直至模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。理論分析方法：分子層面分析：利用分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬軟件，如LAMMPS、GROMACS等，建立包含表面活性劑分子、水分子和固體表面原子的分子模型。在模擬過(guò)程中，采用合適的力場(chǎng)，如OPLS-AA、CHARMM等，描述分子間的相互作用力。通過(guò)模擬表面活性劑分子在液滴表面和液固界面的吸附、擴(kuò)散和排列行為，分析表面活性劑分子與水分子、固體表面原子之間的相互作用能和結(jié)合方式，揭示表面活性劑降低液滴表面張力和改變液固界面性質(zhì)的微觀機(jī)制。同時(shí)，結(jié)合量子化學(xué)計(jì)算方法，如密度泛函理論（DFT），計(jì)算表面活性劑分子的電子結(jié)構(gòu)和分子軌道，分析表面活性劑分子的活性位點(diǎn)和電荷分布，進(jìn)一步深入理解表面活性劑的作用機(jī)制。宏觀層面分析：基于流體力學(xué)理論和能量守恒定律，建立考慮表面活性劑作用的水滴撞擊超疏水表面的動(dòng)力學(xué)模型。在模型中，考慮液滴的慣性力、表面張力、粘性力和重力等因素，以及表面活性劑對(duì)這些力的影響。通過(guò)對(duì)液滴運(yùn)動(dòng)方程的求解，推導(dǎo)水滴的鋪展直徑、接觸時(shí)間、反彈高度等參數(shù)與表面活性劑性質(zhì)、水滴撞擊條件之間的定量關(guān)系。利用該理論模型，分析表面活性劑對(duì)水滴撞擊行為的影響規(guī)律，預(yù)測(cè)不同條件下水滴的撞擊行為，為實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬提供理論指導(dǎo)。二、表面活性劑與超疏水表面的基礎(chǔ)理論2.1表面活性劑的結(jié)構(gòu)與分類表面活性劑，作為一類特殊的化學(xué)物質(zhì)，在眾多領(lǐng)域中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。從分子層面來(lái)看，其結(jié)構(gòu)具有獨(dú)特的兩親性，猶如一個(gè)擁有雙重性格的“分子使者”，一端是親水基團(tuán)，另一端則是疏水基團(tuán)。親水基團(tuán)通常由極性較強(qiáng)的原子或原子團(tuán)構(gòu)成，如羧酸（-COOH）、磺酸（-SO?H）、硫酸（-OSO?H）、氨基（-NH?）及其鹽類，還有羥基（-OH）、酰胺基（-CONH?）、醚鍵（-O-）等，這些基團(tuán)對(duì)水分子具有強(qiáng)烈的親和力，能夠與水相互作用，仿佛是水分子的“親密伙伴”。而疏水基團(tuán)則多為非極性的烴鏈，一般包含8個(gè)碳原子以上的長(zhǎng)鏈，如常見的烷基（-C?H????），這些烴鏈與水分子的性質(zhì)截然不同，它們對(duì)水表現(xiàn)出排斥的特性，更傾向于與油類等非極性物質(zhì)相互作用，就像是在水分子的世界里的“異鄉(xiāng)客”。這種獨(dú)特的兩親結(jié)構(gòu)賦予了表面活性劑許多神奇的性能。當(dāng)表面活性劑溶解在水中時(shí)，其分子會(huì)在溶液表面發(fā)生定向排列。由于疏水基團(tuán)對(duì)水的排斥和對(duì)空氣的親和，它們會(huì)朝向空氣一側(cè)，而親水基團(tuán)則因?yàn)閷?duì)水的親和而朝向水相，這種有序的排列就像士兵整齊列隊(duì)一樣，在溶液表面形成了一層緊密的單分子膜。這層單分子膜的存在，極大地改變了溶液的表面性質(zhì)，使得溶液的表面張力顯著降低。以水為例，純凈的水表面張力較大，而加入表面活性劑后，表面張力可大幅下降，這一特性使得表面活性劑在眾多應(yīng)用中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。表面活性劑的種類繁多，根據(jù)親水基團(tuán)在水中的解離情況以及所帶電荷的性質(zhì)，可以將其分為陰離子表面活性劑、陽(yáng)離子表面活性劑、非離子表面活性劑和兩性離子表面活性劑四大類。陰離子表面活性劑是一類應(yīng)用廣泛的表面活性劑，其親水基團(tuán)在水中解離后帶有負(fù)電荷。常見的陰離子表面活性劑包括烷基羧酸鹽（如肥皂，其主要成分是硬脂酸鈉C??H??COONa）、磺酸鹽（如十二烷基苯磺酸鈉C??H??C?H?SO?Na）、烷基硫酸鹽（如十二烷基硫酸鈉C??H??OSO?Na，簡(jiǎn)稱SDS）、磷酸酯鹽等。這類表面活性劑具有良好的去污、發(fā)泡和乳化性能，在洗滌劑、化妝品、紡織印染等行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。例如，在洗衣粉中，烷基苯磺酸鈉是主要的活性成分之一，它能夠有效地去除衣物上的油污和污漬，使衣物清潔如新；在洗發(fā)水和沐浴露中，烷基硫酸鹽和烷基羧酸鹽等陰離子表面活性劑能夠產(chǎn)生豐富的泡沫，幫助清潔頭發(fā)和皮膚。陽(yáng)離子表面活性劑的親水基團(tuán)在水中解離后帶有正電荷，常見的有季銨鹽類（如十六烷基三甲基溴化銨C??H??N(CH?)?Br，簡(jiǎn)稱CTAB）、胺鹽型、雜環(huán)型和鎓鹽型等。陽(yáng)離子表面活性劑具有獨(dú)特的性能，如良好的殺菌消毒、柔軟、抗靜電和乳化能力，但相對(duì)而言，其洗滌能力較弱，潤(rùn)濕作用也不如其他類型的表面活性劑。在實(shí)際應(yīng)用中，陽(yáng)離子表面活性劑常用于織物柔軟劑、護(hù)發(fā)素、殺菌劑、消毒劑等產(chǎn)品中。在護(hù)發(fā)素中，季銨鹽類陽(yáng)離子表面活性劑可以吸附在頭發(fā)表面，形成一層保護(hù)膜，減少頭發(fā)之間的摩擦，使頭發(fā)更加柔順、易于梳理；在醫(yī)院和公共場(chǎng)所的消毒用品中，陽(yáng)離子表面活性劑能夠有效地殺滅細(xì)菌和病毒，保障環(huán)境的衛(wèi)生和安全。非離子表面活性劑在水中不會(huì)解離成離子，其親水基團(tuán)主要通過(guò)與水分子之間的氫鍵作用來(lái)實(shí)現(xiàn)親水性。常見的非離子表面活性劑有聚氧乙烯型（如聚氧乙烯失水山梨醇單油酸酯C??H??O?，商品名為Tween-80）和多元醇型（如失水山梨醇脂肪酸酯，商品名為Span系列）。非離子表面活性劑具有穩(wěn)定性高、耐酸堿鹽、對(duì)皮膚刺激性小等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還具有良好的乳化、分散和增溶性能。在食品、醫(yī)藥、化妝品等對(duì)安全性要求較高的領(lǐng)域，非離子表面活性劑得到了廣泛的應(yīng)用。在食品工業(yè)中，Tween-80常被用作食品乳化劑，用于制作蛋糕、冰淇淋等食品，能夠使油和水均勻混合，提高食品的穩(wěn)定性和口感；在醫(yī)藥領(lǐng)域，非離子表面活性劑可用于制備藥物制劑，如乳劑、混懸劑等，幫助藥物更好地分散和溶解，提高藥物的生物利用度。兩性離子表面活性劑則同時(shí)含有酸性親水基團(tuán)和堿性親水基團(tuán)，在不同的pH值條件下，其分子可以表現(xiàn)出陽(yáng)離子或陰離子表面活性劑的性質(zhì)。常見的兩性離子表面活性劑有氨基酸型（如十二烷基氨基丙酸C??H??NO?）和甜菜堿型（如十二烷基二甲基甜菜堿C??H??NO?，簡(jiǎn)稱BS-12）等。兩性離子表面活性劑具有良好的生物相容性、耐硬水性和低刺激性，同時(shí)還具有出色的泡沫穩(wěn)定性和乳化性能。在個(gè)人護(hù)理產(chǎn)品中，如高檔洗發(fā)水、沐浴露和護(hù)膚品中，兩性離子表面活性劑常被用作溫和的清潔劑和調(diào)理劑，既能有效地清潔皮膚和頭發(fā)，又不會(huì)對(duì)皮膚造成刺激；在一些特殊的工業(yè)應(yīng)用中，兩性離子表面活性劑也發(fā)揮著重要作用，如在石油開采中，可用于提高原油的采收率。2.2表面活性劑的作用原理表面活性劑的獨(dú)特性能源于其特殊的分子結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)賦予了它一系列神奇的作用原理，使其在眾多領(lǐng)域中發(fā)揮著不可或缺的作用。表面活性劑降低表面張力的原理是其最基本且重要的特性之一。當(dāng)表面活性劑溶解在水中時(shí)，由于其分子的兩親性，疏水基團(tuán)會(huì)強(qiáng)烈地傾向于逃離水相，而親水基團(tuán)則與水相互作用。這種分子的特殊行為導(dǎo)致表面活性劑分子在溶液表面發(fā)生定向排列，形成一層緊密的單分子膜。在這層膜中，疏水基團(tuán)朝向空氣，而親水基團(tuán)朝向水相。從分子間作用力的角度來(lái)看，水的表面張力源于水分子之間強(qiáng)大的氫鍵作用。在純水表面，水分子受到內(nèi)部水分子的吸引力，使得表面的水分子有向內(nèi)收縮的趨勢(shì)，從而產(chǎn)生較高的表面張力。當(dāng)表面活性劑加入后，其分子在表面的定向排列有效地阻隔了水分子之間的直接相互作用。表面活性劑的疏水基團(tuán)破壞了水分子之間的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，降低了表面水分子向內(nèi)收縮的作用力，使得表面張力顯著下降。例如，在一個(gè)平靜的水面上，原本水分子緊密相連，表面張力較大，當(dāng)?shù)渭颖砻婊钚詣┖?，表面活性劑分子迅速在水面鋪展開來(lái)，形成單分子膜，此時(shí)水面的表面張力明顯降低，原本難以在水面漂浮的小物體，如細(xì)小的針，在表面活性劑的作用下，也能夠輕松地漂浮在水面上。形成膠束是表面活性劑在溶液中的另一個(gè)重要行為。當(dāng)表面活性劑在溶液中的濃度達(dá)到一定值，即臨界膠束濃度（CriticalMicelleConcentration，CMC）時(shí)，表面活性劑分子會(huì)發(fā)生聚集，形成膠束。膠束的形成是由于表面活性劑分子的疏水基團(tuán)相互靠攏，以減少與水的接觸，而親水基團(tuán)則朝外與水相接觸。膠束的形狀和大小會(huì)受到表面活性劑的種類、濃度、溫度以及溶液中其他成分的影響。常見的膠束形狀有球形、棒狀和層狀等。在球形膠束中，表面活性劑分子的疏水基團(tuán)聚集在膠束的核心，形成一個(gè)非極性的區(qū)域，就像一個(gè)小小的“油滴”被包裹在里面；而親水基團(tuán)則分布在膠束的表面，與周圍的水相相互作用，形成一個(gè)親水的外殼，使膠束能夠穩(wěn)定地存在于水溶液中。當(dāng)表面活性劑濃度繼續(xù)增加時(shí)，膠束的形狀可能會(huì)發(fā)生變化，從球形逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榘魻罨驅(qū)訝?。棒狀膠束通常在較高濃度下形成，它們可以相互交織，形成類似網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，增加溶液的粘度。層狀膠束則由多個(gè)表面活性劑分子層交替排列而成，中間夾著水層，這種結(jié)構(gòu)在一些特殊的應(yīng)用中，如制備納米材料、藥物載體等方面具有重要作用。表面活性劑在固液界面的吸附行為同樣對(duì)其性能和應(yīng)用產(chǎn)生重要影響。當(dāng)表面活性劑溶液與固體表面接觸時(shí)，表面活性劑分子會(huì)在固液界面發(fā)生吸附。吸附的方式和程度取決于表面活性劑的類型、固體表面的性質(zhì)以及溶液的條件等因素。對(duì)于離子型表面活性劑，其與固體表面的吸附主要通過(guò)靜電相互作用和離子交換作用。如果固體表面帶有與表面活性劑離子相反的電荷，那么表面活性劑分子會(huì)通過(guò)靜電引力強(qiáng)烈地吸附在固體表面。在帶正電荷的金屬氧化物表面，陰離子表面活性劑會(huì)迅速吸附，其帶負(fù)電的親水基團(tuán)與固體表面的正電荷相互吸引，形成緊密的吸附層。而陽(yáng)離子表面活性劑則會(huì)吸附在帶負(fù)電荷的固體表面，如黏土顆粒表面。此外，離子交換作用也會(huì)發(fā)生，表面活性劑離子可能會(huì)與固體表面原有的離子發(fā)生交換，從而實(shí)現(xiàn)吸附。非離子表面活性劑在固液界面的吸附主要是通過(guò)分子間的范德華力和氫鍵作用。由于非離子表面活性劑不帶電荷，其吸附過(guò)程相對(duì)較為溫和。在一些極性固體表面，如玻璃表面，非離子表面活性劑的親水基團(tuán)可以與表面的羥基形成氫鍵，從而實(shí)現(xiàn)吸附。范德華力雖然較弱，但在非離子表面活性劑的吸附過(guò)程中也起到了一定的作用，它使得表面活性劑分子能夠與固體表面保持一定的相互作用，穩(wěn)定地吸附在表面上。表面活性劑在固液界面的吸附會(huì)顯著改變固體表面的性質(zhì)。吸附后的固體表面被表面活性劑分子所覆蓋，其表面能、潤(rùn)濕性、電荷性質(zhì)等都會(huì)發(fā)生變化。原本親水的固體表面，在吸附了疏水的表面活性劑分子后，可能會(huì)變得疏水；而原本疏水的表面，在吸附了親水的表面活性劑分子后，可能會(huì)變得親水。這種表面性質(zhì)的改變?cè)谠S多實(shí)際應(yīng)用中具有重要意義，如在涂料、油墨、紡織等行業(yè)中，通過(guò)控制表面活性劑在固體表面的吸附，可以改善產(chǎn)品的性能，提高產(chǎn)品的質(zhì)量。2.3超疏水表面的構(gòu)建與特性超疏水表面的構(gòu)建是材料科學(xué)領(lǐng)域的重要研究方向，其獨(dú)特的性能在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。構(gòu)建超疏水表面的關(guān)鍵在于同時(shí)具備低表面能和特定的微觀粗糙結(jié)構(gòu)，二者協(xié)同作用，賦予表面超疏水的特性。從構(gòu)建方法來(lái)看，溶膠-凝膠法是一種常用的手段。該方法以金屬醇鹽或有機(jī)硅化合物等為前驅(qū)體，在催化劑的作用下，通過(guò)水解和縮聚反應(yīng)形成溶膠。在水解過(guò)程中，金屬醇鹽中的烷氧基（-OR）被水分子取代，生成金屬氫氧化物或硅醇；隨后，硅醇之間發(fā)生縮聚反應(yīng)，形成硅氧烷（Si-O-Si）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，逐漸形成具有一定粘度和穩(wěn)定性的溶膠。將溶膠涂覆在基底表面，經(jīng)過(guò)干燥和熱處理后，溶劑揮發(fā)，溶膠進(jìn)一步縮聚形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的凝膠，最終得到超疏水表面。在制備過(guò)程中，通過(guò)控制前驅(qū)體的種類、濃度、水解和縮聚反應(yīng)的條件，以及添加的添加劑等，可以精確調(diào)控表面的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)表面超疏水性能的優(yōu)化。這種方法具有工藝簡(jiǎn)單、易于操作、可在不同形狀和材質(zhì)的基底上制備等優(yōu)點(diǎn)，能夠制備出具有均勻微觀結(jié)構(gòu)和良好超疏水性能的表面?；瘜W(xué)氣相沉積法也是一種重要的構(gòu)建超疏水表面的方法。在高溫和催化劑的作用下，氣態(tài)的硅烷、氟碳化合物等低表面能物質(zhì)分解產(chǎn)生活性基團(tuán)，這些活性基團(tuán)在基底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成化學(xué)鍵合，從而在基底表面沉積一層低表面能的薄膜。這種方法可以精確控制薄膜的厚度和成分，能夠在復(fù)雜形狀的基底表面均勻地沉積薄膜，制備出高質(zhì)量的超疏水表面。然而，該方法需要高溫、高真空等特殊條件，設(shè)備昂貴，制備過(guò)程復(fù)雜，成本較高，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。模板法是利用具有特定結(jié)構(gòu)的模板，如納米球模板、多孔氧化鋁模板等，通過(guò)填充、復(fù)制等方式制備超疏水表面。以納米球模板為例，首先將納米球緊密排列在基底表面，形成有序的模板結(jié)構(gòu)；然后，通過(guò)化學(xué)氣相沉積、電化學(xué)沉積等方法，將低表面能物質(zhì)填充到納米球之間的空隙中，形成與模板結(jié)構(gòu)互補(bǔ)的微觀結(jié)構(gòu)；最后，去除納米球模板，即可得到具有納米級(jí)粗糙度的超疏水表面。模板法能夠精確控制表面微觀結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸，制備出具有高度有序微觀結(jié)構(gòu)的超疏水表面，其超疏水性能穩(wěn)定，重復(fù)性好。但該方法需要制備高質(zhì)量的模板，模板的制備過(guò)程較為復(fù)雜，且模板的使用會(huì)增加制備成本。除了上述方法，還有相分離法、刻蝕法、淋/噴涂法、電火花微加工技術(shù)、電鍍法、生物仿生法等多種構(gòu)建超疏水表面的方法。相分離法通過(guò)控制溶液中不同組分的相分離過(guò)程，形成具有微觀粗糙結(jié)構(gòu)的表面；刻蝕法利用化學(xué)試劑或物理手段對(duì)基底表面進(jìn)行刻蝕，形成粗糙的微觀結(jié)構(gòu)；淋/噴涂法將含有低表面能物質(zhì)和納米顆粒的溶液通過(guò)淋涂或噴涂的方式涂覆在基底表面，形成超疏水涂層；電火花微加工技術(shù)利用電火花放電產(chǎn)生的高溫和高壓，在基底表面加工出微觀結(jié)構(gòu)；電鍍法通過(guò)在基底表面電鍍金屬或合金，形成具有粗糙表面的超疏水結(jié)構(gòu)；生物仿生法則是模仿自然界中具有超疏水性能的生物表面結(jié)構(gòu)，如荷葉表面的微納結(jié)構(gòu)，制備人造超疏水表面。超疏水表面的低表面能特性是其實(shí)現(xiàn)超疏水性能的重要基礎(chǔ)。低表面能物質(zhì)，如氟碳化合物、硅烷等，能夠顯著降低固體表面的表面能。氟碳化合物中的碳-氟鍵（C-F）具有很強(qiáng)的電負(fù)性，使得分子間的作用力較弱，表面能較低；硅烷中的硅-氧鍵（Si-O）也具有較低的表面能。當(dāng)這些低表面能物質(zhì)修飾在固體表面時(shí)，能夠有效地降低表面的自由能，使得水滴在表面上的接觸角增大，從而實(shí)現(xiàn)疏水效果。微觀粗糙結(jié)構(gòu)在超疏水表面中起著關(guān)鍵作用。這些微觀結(jié)構(gòu)可以是納米級(jí)的粗糙度，如納米顆粒、納米線等，也可以是微米級(jí)的結(jié)構(gòu)，如柱狀、凹坑等。當(dāng)水滴與具有微觀粗糙結(jié)構(gòu)的表面接觸時(shí)，結(jié)構(gòu)之間的空氣被捕獲，形成一層空氣墊，使得水滴無(wú)法直接與固體表面接觸，而是部分停留在空氣中，只有部分與固體表面的凸起尖端接觸。這種空氣/固體復(fù)合狀態(tài)極大地增加了水滴與表面之間的接觸角，使其超過(guò)150°，同時(shí)降低了接觸角滯后和滾動(dòng)角，使得水滴在表面上極易滾落，表現(xiàn)出超疏水性能。以荷葉表面為例，其表面具有微米級(jí)的乳突結(jié)構(gòu)，乳突上又分布著納米級(jí)的蠟晶物質(zhì)，這種微-納米級(jí)的粗糙結(jié)構(gòu)與低表面能的蠟質(zhì)共同作用，使得荷葉表面具有超疏水和自清潔的特性。當(dāng)雨水落在荷葉表面時(shí)，凸起間隙中的空氣被鎖定，雨水與葉面之間形成一層薄空氣層，雨水只與凸起尖端形成點(diǎn)接觸，表面黏附力很弱。因此，水在表面張力作用下可縮聚成球狀，并能在葉片表面隨意滾動(dòng)，而灰塵與葉片也為點(diǎn)接觸，表面黏附力很小，很容易被水珠帶走。三、表面活性劑對(duì)水滴撞擊超疏水表面行為的實(shí)驗(yàn)研究3.1實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備為了深入探究表面活性劑對(duì)水滴在超疏水表面撞擊行為的影響，本實(shí)驗(yàn)精心挑選了一系列實(shí)驗(yàn)材料，并配備了先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。實(shí)驗(yàn)選用的表面活性劑包括陰離子表面活性劑十二烷基硫酸鈉（SDS）、十二烷基苯磺酸鈉（SDBS），陽(yáng)離子表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨（CTAB），非離子表面活性劑聚氧乙烯失水山梨醇單油酸酯（Tween-80）和兩性離子表面活性劑十二烷基二甲基甜菜堿（BS-12）。這些表面活性劑涵蓋了常見的類型，具有不同的分子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，有助于全面研究表面活性劑對(duì)水滴撞擊行為的影響規(guī)律。超疏水表面材料選用了經(jīng)過(guò)特殊處理的硅片作為基底，通過(guò)化學(xué)氣相沉積法在硅片表面沉積一層低表面能的氟硅烷薄膜，從而構(gòu)建出超疏水表面。這種超疏水表面具有良好的穩(wěn)定性和重復(fù)性，其靜態(tài)接觸角大于150°，滾動(dòng)角小于10°，能夠滿足實(shí)驗(yàn)對(duì)超疏水性能的要求。實(shí)驗(yàn)儀器方面，高速攝像機(jī)是記錄水滴撞擊過(guò)程的關(guān)鍵設(shè)備。本實(shí)驗(yàn)采用了德國(guó)LaVision公司生產(chǎn)的高速攝像機(jī)，其最高幀率可達(dá)100000幀/秒，分辨率為1280×1024像素，能夠清晰地捕捉到水滴在超疏水表面撞擊過(guò)程中的瞬間形態(tài)變化，為后續(xù)的圖像分析提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。表面張力儀用于測(cè)量表面活性劑溶液的表面張力，本實(shí)驗(yàn)使用的是德國(guó)KRüSS公司生產(chǎn)的DSA100型表面張力儀，該儀器采用白金板法測(cè)量表面張力，測(cè)量精度可達(dá)0.1mN/m，能夠準(zhǔn)確地測(cè)量不同濃度表面活性劑溶液的表面張力，為研究表面活性劑的濃度對(duì)水滴撞擊行為的影響提供重要的數(shù)據(jù)支持。微量注射泵用于精確控制水滴的產(chǎn)生和滴落，本實(shí)驗(yàn)采用的是保定蘭格恒流泵有限公司生產(chǎn)的BT100-2J型微量注射泵，其流量范圍為0.001-1000mL/h，能夠精確地控制水滴的體積和滴落速度，確保實(shí)驗(yàn)條件的一致性。力傳感器則用于測(cè)量水滴與超疏水表面之間的相互作用力，本實(shí)驗(yàn)選用的是美國(guó)PCB公司生產(chǎn)的Kistler9257B型力傳感器，其量程為0-50N，靈敏度為10pC/N，響應(yīng)頻率可達(dá)100kHz，能夠準(zhǔn)確地測(cè)量水滴撞擊超疏水表面時(shí)的動(dòng)態(tài)力變化，為研究水滴撞擊過(guò)程中的力學(xué)機(jī)制提供數(shù)據(jù)依據(jù)。3.2實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)在本次實(shí)驗(yàn)中，為全面深入探究表面活性劑對(duì)水滴在超疏水表面撞擊行為的影響，我們精心設(shè)計(jì)了一系列實(shí)驗(yàn)方案，對(duì)多個(gè)關(guān)鍵變量進(jìn)行了細(xì)致的設(shè)置和調(diào)控。對(duì)于表面活性劑濃度，我們選取了具有代表性的濃度梯度。以十二烷基硫酸鈉（SDS）為例，分別配制了濃度為0.01mM、0.1mM、1mM、10mM和50mM的SDS水溶液。這一濃度范圍涵蓋了從低濃度到接近臨界膠束濃度（CMC）的區(qū)間，能夠充分研究表面活性劑在不同濃度下對(duì)水滴撞擊行為的影響。在低濃度下，表面活性劑分子主要以單體形式存在于溶液中，隨著濃度逐漸增加，分子開始聚集形成膠束，而接近CMC時(shí)，膠束的形成達(dá)到飽和狀態(tài)，此時(shí)表面活性劑的各種性質(zhì)和作用機(jī)制會(huì)發(fā)生顯著變化。通過(guò)研究這一濃度范圍內(nèi)的水滴撞擊行為，我們可以深入了解表面活性劑濃度對(duì)液滴與超疏水表面相互作用的影響規(guī)律。在表面活性劑類型方面，我們選擇了具有代表性的陰離子表面活性劑（SDS、十二烷基苯磺酸鈉SDBS）、陽(yáng)離子表面活性劑（十六烷基三甲基溴化銨CTAB）、非離子表面活性劑（聚氧乙烯失水山梨醇單油酸酯Tween-80）和兩性離子表面活性劑（十二烷基二甲基甜菜堿BS-12）。不同類型的表面活性劑由于其分子結(jié)構(gòu)和電荷性質(zhì)的差異，在溶液中表現(xiàn)出不同的行為和性質(zhì)。陰離子表面活性劑在水中解離后帶負(fù)電荷，其親水基團(tuán)與水分子之間通過(guò)靜電作用相互吸引，而疏水基團(tuán)則傾向于聚集在一起，形成膠束或吸附在界面上；陽(yáng)離子表面活性劑帶正電荷，其與帶負(fù)電荷的表面或分子之間具有較強(qiáng)的靜電吸引力；非離子表面活性劑在水中不解離，通過(guò)氫鍵等非靜電作用與水分子相互作用，其分子的親水性和疏水性相對(duì)較為平衡；兩性離子表面活性劑則同時(shí)具有酸性和堿性親水基團(tuán)，在不同的pH值條件下，其分子的帶電性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，從而表現(xiàn)出不同的表面活性和作用效果。通過(guò)研究不同類型表面活性劑對(duì)水滴撞擊行為的影響，我們可以全面了解表面活性劑的結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，為實(shí)際應(yīng)用中選擇合適的表面活性劑提供理論依據(jù)。水滴撞擊速度也是本次實(shí)驗(yàn)的一個(gè)重要變量。我們通過(guò)調(diào)整微量注射泵的流速和高度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水滴撞擊速度的精確控制。實(shí)驗(yàn)中設(shè)置的撞擊速度范圍為0.5m/s-5m/s，涵蓋了低速撞擊和高速撞擊的情況。在低速撞擊時(shí)，水滴的慣性較小，表面張力和粘性力對(duì)水滴的撞擊行為起主導(dǎo)作用，水滴在超疏水表面的鋪展和回縮過(guò)程相對(duì)較為緩慢，與表面的相互作用時(shí)間較長(zhǎng)；而在高速撞擊時(shí)，水滴具有較大的慣性，其與超疏水表面的碰撞更加劇烈，表面張力和粘性力的影響相對(duì)較小，水滴可能會(huì)發(fā)生濺射、反彈等復(fù)雜的行為。通過(guò)研究不同撞擊速度下的水滴行為，我們可以深入了解慣性力、表面張力和粘性力等因素在水滴撞擊過(guò)程中的相互作用和影響機(jī)制。關(guān)于水滴撞擊角度，我們?cè)O(shè)置了多個(gè)角度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，包括30°、45°、60°和90°。不同的撞擊角度會(huì)導(dǎo)致水滴在超疏水表面的初始接觸狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生變化，從而影響其撞擊行為。當(dāng)水滴以較小的角度撞擊表面時(shí)，其在表面上的鋪展方向會(huì)受到撞擊角度的影響，呈現(xiàn)出一定的偏向性；而當(dāng)水滴垂直撞擊表面（90°）時(shí)，其與表面的接觸面積最大，撞擊力也最為集中。通過(guò)研究不同撞擊角度下的水滴行為，我們可以了解撞擊角度對(duì)水滴在超疏水表面的鋪展、回縮、反彈等行為的影響規(guī)律，為實(shí)際應(yīng)用中優(yōu)化液滴與表面的相互作用提供參考。此外，為了確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，我們對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)條件下的水滴撞擊行為進(jìn)行了多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)記錄至少50個(gè)有效數(shù)據(jù)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)環(huán)境的溫度和濕度，保持環(huán)境溫度在25±1℃，相對(duì)濕度在50±5%，以減少環(huán)境因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾。同時(shí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行定期校準(zhǔn)和維護(hù)，確保設(shè)備的性能穩(wěn)定可靠，保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析3.3.1表面活性劑對(duì)水滴撞擊鋪展行為的影響在本次實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)高速攝像機(jī)精確記錄了水滴撞擊超疏水表面的全過(guò)程，對(duì)添加不同表面活性劑后水滴的鋪展直徑和鋪展時(shí)間進(jìn)行了詳細(xì)的測(cè)量與分析。以陰離子表面活性劑十二烷基硫酸鈉（SDS）為例，當(dāng)SDS濃度較低時(shí)，如0.01mM，水滴在撞擊超疏水表面后，鋪展直徑相對(duì)較小。這是因?yàn)樵诘蜐舛认拢琒DS分子在溶液中主要以單體形式存在，其對(duì)水滴表面張力的降低作用有限。根據(jù)表面張力的原理，表面張力會(huì)使液體表面有收縮的趨勢(shì)，在水滴撞擊表面時(shí)，較高的表面張力會(huì)限制水滴的鋪展。此時(shí)，水滴的鋪展主要受慣性力和表面張力的共同作用，由于表面張力較大，慣性力不足以使水滴充分鋪展，所以鋪展直徑較小。隨著SDS濃度逐漸增加，如達(dá)到1mM時(shí)，水滴的鋪展直徑明顯增大。這是因?yàn)殡S著濃度的升高，SDS分子開始在溶液表面聚集，形成單分子膜，有效降低了水滴的表面張力。根據(jù)Young-Laplace方程，表面張力的降低會(huì)使得水滴在固體表面的接觸角減小，從而更容易鋪展。同時(shí)，SDS分子在液固界面的吸附也改變了界面的性質(zhì)，進(jìn)一步促進(jìn)了水滴的鋪展。此時(shí)，慣性力在水滴鋪展過(guò)程中起主導(dǎo)作用，較低的表面張力使得慣性力能夠推動(dòng)水滴更廣泛地鋪展，因此鋪展直徑增大。當(dāng)SDS濃度繼續(xù)增加到10mM時(shí)，鋪展直徑的增大趨勢(shì)逐漸變緩。這是因?yàn)榇藭r(shí)SDS分子在溶液中開始形成膠束，雖然表面張力繼續(xù)降低，但膠束的形成會(huì)增加溶液的粘度。根據(jù)流體力學(xué)原理，粘度的增加會(huì)阻礙水滴的流動(dòng)，使得水滴在鋪展過(guò)程中受到更大的阻力，從而抑制了鋪展直徑的進(jìn)一步增大。在鋪展時(shí)間方面，隨著SDS濃度的增加，水滴的鋪展時(shí)間呈現(xiàn)先縮短后略微延長(zhǎng)的趨勢(shì)。在低濃度下，由于表面張力較大，水滴需要更長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)克服表面張力的阻礙進(jìn)行鋪展，所以鋪展時(shí)間較長(zhǎng)。隨著SDS濃度的增加，表面張力降低，水滴能夠更快地鋪展，鋪展時(shí)間縮短。但當(dāng)濃度過(guò)高，膠束形成導(dǎo)致粘度增加時(shí)，雖然表面張力進(jìn)一步降低，但由于粘度的阻礙作用，水滴的鋪展時(shí)間會(huì)略微延長(zhǎng)。對(duì)于陽(yáng)離子表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨（CTAB），其對(duì)水滴鋪展行為的影響與SDS有所不同。CTAB分子的陽(yáng)離子特性使其在與超疏水表面接觸時(shí)，會(huì)與表面的電荷發(fā)生相互作用。在低濃度下，CTAB分子會(huì)吸附在超疏水表面，改變表面的電荷分布，使得水滴與表面之間的靜電排斥力增加。這種靜電排斥力會(huì)阻礙水滴的鋪展，導(dǎo)致鋪展直徑較小，鋪展時(shí)間較長(zhǎng)。隨著CTAB濃度的增加，雖然表面張力也會(huì)降低，但由于靜電作用的影響，水滴的鋪展直徑增大的幅度相對(duì)較小，且鋪展時(shí)間的變化也不如SDS明顯。非離子表面活性劑聚氧乙烯失水山梨醇單油酸酯（Tween-80）對(duì)水滴鋪展行為的影響又具有獨(dú)特的特點(diǎn)。Tween-80分子通過(guò)氫鍵等非靜電作用與水分子相互作用，其在溶液中的存在形式相對(duì)較為穩(wěn)定。在低濃度下，Tween-80分子能夠在水滴表面形成一層較為均勻的保護(hù)膜，降低表面張力，促進(jìn)水滴的鋪展。隨著濃度的增加，Tween-80分子在溶液中的聚集狀態(tài)逐漸發(fā)生變化，但由于其非離子特性，不會(huì)像離子型表面活性劑那樣與表面發(fā)生強(qiáng)烈的靜電相互作用。因此，Tween-80對(duì)水滴鋪展直徑和鋪展時(shí)間的影響相對(duì)較為平緩，隨著濃度的增加，鋪展直徑逐漸增大，鋪展時(shí)間逐漸縮短，但變化幅度相對(duì)較小。兩性離子表面活性劑十二烷基二甲基甜菜堿（BS-12）在不同pH值條件下會(huì)表現(xiàn)出不同的性質(zhì)，從而對(duì)水滴的鋪展行為產(chǎn)生復(fù)雜的影響。在酸性條件下，BS-12分子的陽(yáng)離子部分會(huì)發(fā)揮作用，與超疏水表面發(fā)生靜電相互作用，影響水滴的鋪展。在堿性條件下，其陰離子部分的作用則更為顯著。在中性條件下，BS-12分子的兩性特性使其能夠在液滴表面和液固界面形成較為穩(wěn)定的吸附層，有效降低表面張力，促進(jìn)水滴的鋪展。在不同pH值下，隨著BS-12濃度的增加，水滴的鋪展直徑和鋪展時(shí)間的變化趨勢(shì)也會(huì)有所不同，需要綜合考慮其兩性特性以及與表面的相互作用來(lái)進(jìn)行分析。3.3.2表面活性劑對(duì)水滴撞擊回彈行為的影響表面活性劑對(duì)水滴撞擊超疏水表面后的回彈行為有著顯著的影響，主要體現(xiàn)在回彈高度、回彈速度和回彈次數(shù)等方面。在回彈高度方面，以陰離子表面活性劑十二烷基硫酸鈉（SDS）為例，當(dāng)SDS濃度較低時(shí)，水滴撞擊超疏水表面后具有較高的回彈高度。這是因?yàn)樵诘蜐舛认拢琒DS對(duì)水滴表面張力和液固界面性質(zhì)的改變較小，水滴與超疏水表面之間的相互作用主要由表面的超疏水特性主導(dǎo)。超疏水表面的低表面能和微觀粗糙結(jié)構(gòu)使得水滴在撞擊后能夠迅速回彈，回彈高度較大。隨著SDS濃度的增加，回彈高度逐漸降低。這是由于SDS分子在水滴表面和液固界面的吸附，降低了水滴的表面張力，增加了水滴與表面之間的粘附力。根據(jù)能量守恒原理，水滴在撞擊表面時(shí)的動(dòng)能一部分用于克服表面張力和粘附力做功，使得用于回彈的能量減少，從而回彈高度降低。對(duì)于陽(yáng)離子表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨（CTAB），由于其陽(yáng)離子特性，在與超疏水表面接觸時(shí)，會(huì)與表面的電荷發(fā)生相互作用，改變表面的電荷分布和潤(rùn)濕性。在低濃度下，CTAB分子會(huì)吸附在超疏水表面，使得表面的靜電排斥力增加，水滴與表面之間的粘附力減小。這種情況下，水滴在撞擊后更容易回彈，回彈高度相對(duì)較高。隨著CTAB濃度的增加，雖然表面張力也會(huì)降低，但由于靜電作用的影響，水滴與表面之間的粘附力變化較為復(fù)雜。在一定濃度范圍內(nèi)，靜電作用可能會(huì)導(dǎo)致水滴與表面之間的粘附力進(jìn)一步減小，使得回彈高度降低不明顯；而當(dāng)濃度繼續(xù)增加時(shí)，CTAB分子在表面的吸附可能會(huì)達(dá)到飽和，此時(shí)表面張力的降低作用會(huì)逐漸顯現(xiàn)，回彈高度開始逐漸降低。非離子表面活性劑聚氧乙烯失水山梨醇單油酸酯（Tween-80）對(duì)水滴回彈高度的影響相對(duì)較為平緩。Tween-80分子通過(guò)氫鍵等非靜電作用與水分子相互作用，在水滴表面形成一層較為均勻的保護(hù)膜，降低表面張力。隨著Tween-80濃度的增加，表面張力逐漸降低，水滴與表面之間的粘附力逐漸增加，回彈高度逐漸降低。但由于Tween-80分子的非離子特性，其與表面之間的相互作用相對(duì)較弱，所以回彈高度的降低幅度相對(duì)較小。在回彈速度方面，表面活性劑的加入同樣會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響。以SDS為例，隨著SDS濃度的增加，水滴的回彈速度逐漸減小。這是因?yàn)楸砻婊钚詣┑募尤虢档土怂蔚谋砻鎻埩?，增加了水滴與表面之間的粘附力，使得水滴在回彈過(guò)程中受到的阻力增大。根據(jù)牛頓第二定律，阻力的增大導(dǎo)致水滴的加速度減小，從而回彈速度減小。對(duì)于不同類型的表面活性劑，由于其分子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的差異，對(duì)水滴回彈速度的影響也有所不同。陽(yáng)離子表面活性劑CTAB由于其與表面的靜電相互作用，在低濃度下可能會(huì)使水滴的回彈速度增加；而在高濃度下，隨著表面張力的降低和粘附力的變化，回彈速度會(huì)逐漸減小。非離子表面活性劑Tween-80對(duì)回彈速度的影響相對(duì)較為平緩，隨著濃度的增加，回彈速度逐漸減小，但變化幅度相對(duì)較小。在回彈次數(shù)方面，表面活性劑的存在也會(huì)改變水滴的回彈行為。一般來(lái)說(shuō)，隨著表面活性劑濃度的增加，水滴的回彈次數(shù)會(huì)減少。這是因?yàn)楸砻婊钚詣┙档土怂蔚谋砻鎻埩驮黾恿苏掣搅?，使得水滴在每次回彈過(guò)程中損失的能量更多，從而更快地消耗掉動(dòng)能，導(dǎo)致回彈次數(shù)減少。不同類型的表面活性劑對(duì)回彈次數(shù)的影響程度也有所不同，陰離子表面活性劑SDS和陽(yáng)離子表面活性劑CTAB對(duì)回彈次數(shù)的影響相對(duì)較為明顯，而非離子表面活性劑Tween-80的影響相對(duì)較小。3.3.3表面活性劑對(duì)水滴撞擊濺射行為的影響表面活性劑的存在顯著改變了水滴撞擊超疏水表面時(shí)產(chǎn)生濺射的臨界條件和濺射程度。通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察和數(shù)據(jù)分析，我們深入研究了這一現(xiàn)象背后的物理機(jī)制。在臨界條件方面，以陰離子表面活性劑十二烷基硫酸鈉（SDS）為例，隨著SDS濃度的增加，水滴撞擊產(chǎn)生濺射的臨界韋伯?dāng)?shù)（We）呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。韋伯?dāng)?shù)是一個(gè)重要的無(wú)量綱參數(shù)，它反映了慣性力與表面張力的相對(duì)大小，其定義為We=\frac{\rhov^{2}d}{\sigma}，其中\(zhòng)rho為液體密度，v為撞擊速度，d為液滴直徑，\sigma為表面張力。在低濃度下，SDS對(duì)水滴表面張力的降低作用有限，水滴的表面張力較大，需要較大的慣性力，即較高的撞擊速度或較大的液滴直徑，才能克服表面張力的束縛，使水滴發(fā)生濺射。因此，此時(shí)產(chǎn)生濺射的臨界韋伯?dāng)?shù)較高。隨著SDS濃度的增加，表面張力顯著降低，水滴更容易發(fā)生變形和破裂，只需較小的慣性力就能夠引發(fā)濺射現(xiàn)象。這意味著在較低的撞擊速度或較小的液滴直徑下，水滴就能夠達(dá)到濺射的臨界條件，從而使臨界韋伯?dāng)?shù)下降。陽(yáng)離子表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）對(duì)水滴撞擊濺射臨界條件的影響則較為復(fù)雜。由于CTAB分子的陽(yáng)離子特性，它在與超疏水表面接觸時(shí)，會(huì)與表面的電荷發(fā)生相互作用，改變表面的電荷分布和潤(rùn)濕性。在低濃度下，CTAB分子在表面的吸附可能會(huì)使表面的靜電排斥力增加，這在一定程度上阻礙了水滴的變形和破裂，使得產(chǎn)生濺射的臨界韋伯?dāng)?shù)相對(duì)較高。然而，隨著CTAB濃度的進(jìn)一步增加，其對(duì)表面張力的降低作用逐漸顯現(xiàn)，同時(shí)，表面電荷分布的改變也可能會(huì)影響水滴與表面之間的相互作用力，導(dǎo)致臨界韋伯?dāng)?shù)下降。但與SDS相比，CTAB對(duì)臨界韋伯?dāng)?shù)的影響受到靜電作用和表面張力變化的雙重影響，其變化趨勢(shì)更為復(fù)雜。非離子表面活性劑聚氧乙烯失水山梨醇單油酸酯（Tween-80）對(duì)水滴撞擊濺射臨界條件的影響相對(duì)較為平緩。Tween-80分子通過(guò)氫鍵等非靜電作用與水分子相互作用，在水滴表面形成一層較為均勻的保護(hù)膜，降低表面張力。隨著Tween-80濃度的增加，表面張力逐漸降低，使得水滴更容易發(fā)生濺射，臨界韋伯?dāng)?shù)逐漸下降。但由于Tween-80分子的非離子特性，其與表面之間的相互作用相對(duì)較弱，所以臨界韋伯?dāng)?shù)的下降幅度相對(duì)較小。在濺射程度方面，隨著表面活性劑濃度的增加，水滴撞擊超疏水表面后的濺射程度呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)。以SDS為例，在較低濃度范圍內(nèi)，隨著SDS濃度的增加，表面張力降低，水滴在撞擊時(shí)更容易發(fā)生變形和破裂，從而產(chǎn)生更多的濺射液滴，濺射程度增加。然而，當(dāng)SDS濃度繼續(xù)增加到一定程度時(shí)，溶液的粘度會(huì)隨著膠束的形成而增加。根據(jù)流體力學(xué)原理，粘度的增加會(huì)阻礙水滴的流動(dòng)和變形，使得水滴在撞擊時(shí)難以形成大量的濺射液滴，濺射程度反而減小。不同類型的表面活性劑對(duì)濺射程度的影響也存在差異。陽(yáng)離子表面活性劑CTAB由于其與表面的靜電相互作用，在低濃度下可能會(huì)使濺射程度相對(duì)較低；而在高濃度下，隨著表面張力的降低和靜電作用的變化，濺射程度會(huì)先增加后減小，但變化趨勢(shì)與SDS有所不同。非離子表面活性劑Tween-80對(duì)濺射程度的影響相對(duì)較為平緩，隨著濃度的增加，濺射程度先逐漸增加，然后在一定濃度范圍內(nèi)保持相對(duì)穩(wěn)定，最后隨著粘度的增加而略有減小。四、表面活性劑影響水滴撞擊行為的機(jī)制分析4.1基于表面張力的作用機(jī)制表面活性劑對(duì)水滴在超疏水表面撞擊行為的影響，很大程度上源于其對(duì)表面張力的調(diào)控作用。表面張力是液體表面的一種固有性質(zhì)，它使得液體表面具有收縮的趨勢(shì)，猶如一層緊繃的彈性薄膜。在水滴撞擊超疏水表面的過(guò)程中，表面張力扮演著至關(guān)重要的角色，而表面活性劑的加入則如同在這層薄膜上施加了微妙的“魔法”，改變了整個(gè)撞擊過(guò)程的能量變化和界面行為。從能量的角度來(lái)看，表面張力的降低直接影響了水滴撞擊時(shí)的能量分布。當(dāng)水滴撞擊超疏水表面時(shí)，其具有一定的動(dòng)能，這部分動(dòng)能將在撞擊過(guò)程中發(fā)生轉(zhuǎn)化。在純水滴的情況下，表面張力較大，水滴需要克服較大的表面張力做功，才能實(shí)現(xiàn)鋪展和變形。根據(jù)能量守恒定律，水滴的動(dòng)能一部分用于克服表面張力，一部分轉(zhuǎn)化為與超疏水表面相互作用的能量，還有一部分則以熱能等形式耗散。而當(dāng)表面活性劑加入后，表面張力顯著降低，水滴在撞擊時(shí)需要克服的表面張力做功減少，更多的動(dòng)能得以用于其他方面。在鋪展階段，較低的表面張力使得水滴能夠更容易地在超疏水表面上展開。以陰離子表面活性劑十二烷基硫酸鈉（SDS）為例，隨著SDS濃度的增加，水滴的表面張力降低，水滴在撞擊超疏水表面后，能夠以較小的能量消耗實(shí)現(xiàn)更大程度的鋪展。這是因?yàn)楸砻鎻埩Φ慕档蜏p小了水滴表面的收縮趨勢(shì)，使得水滴在慣性力的作用下能夠更自由地在表面上擴(kuò)散。根據(jù)Young-Laplace方程，表面張力的降低會(huì)導(dǎo)致水滴在固體表面的接觸角減小，從而增加了水滴與表面的接觸面積，促進(jìn)了鋪展行為的發(fā)生。在回縮階段，表面張力同樣起著關(guān)鍵作用。當(dāng)水滴在超疏水表面鋪展到一定程度后，會(huì)開始回縮。在這個(gè)過(guò)程中，表面張力力圖使水滴恢復(fù)到初始的球形狀態(tài)。對(duì)于添加了表面活性劑的水滴，由于表面張力降低，回縮的驅(qū)動(dòng)力減小，水滴的回縮速度相對(duì)較慢，回縮的程度也可能減小。這意味著水滴在表面上的接觸時(shí)間可能會(huì)延長(zhǎng)，增加了水滴與表面之間的相互作用時(shí)間。從界面行為的角度來(lái)看，表面活性劑分子在水滴表面和液固界面的吸附進(jìn)一步改變了界面的性質(zhì)。在水滴表面，表面活性劑分子的疏水基團(tuán)朝向空氣，親水基團(tuán)朝向水滴內(nèi)部，形成了一層緊密的單分子膜。這層膜不僅降低了表面張力，還改變了水滴表面的電荷分布和分子排列方式，使得水滴與周圍環(huán)境的相互作用發(fā)生了變化。在液固界面，表面活性劑分子的吸附改變了界面的潤(rùn)濕性和粘附力。對(duì)于超疏水表面，表面活性劑分子的吸附可能會(huì)部分破壞表面的超疏水特性，增加水滴與表面之間的粘附力。在某些情況下，表面活性劑分子在超疏水表面的吸附會(huì)形成一層相對(duì)親水的吸附層，使得水滴與表面之間的接觸更加緊密，粘附力增加。這種粘附力的變化會(huì)影響水滴在撞擊后的回彈和濺射行為。當(dāng)粘附力增加時(shí)，水滴在撞擊后更難從表面反彈，回彈高度和回彈速度會(huì)降低；同時(shí)，濺射的可能性也會(huì)減小，因?yàn)樗涡枰朔蟮恼掣搅Σ拍軓谋砻娣蛛x形成濺射液滴。4.2膠束形成與聚集的作用當(dāng)表面活性劑在溶液中的濃度達(dá)到臨界膠束濃度（CMC）時(shí)，會(huì)形成膠束結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)對(duì)水滴在超疏水表面的撞擊行為產(chǎn)生多方面的影響。在微觀層面，膠束的形成改變了水滴內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)和分子排列。以球形膠束為例，表面活性劑分子的疏水基團(tuán)聚集在膠束核心，形成一個(gè)相對(duì)疏水的區(qū)域，而親水基團(tuán)則朝向外部的水相。這種結(jié)構(gòu)使得水滴內(nèi)部的水分子分布發(fā)生變化，靠近膠束的水分子受到表面活性劑分子的影響，其運(yùn)動(dòng)和排列方式與純水中的水分子不同。在水滴撞擊超疏水表面的過(guò)程中，這種微觀結(jié)構(gòu)的改變會(huì)影響水滴內(nèi)部的能量傳遞和耗散。當(dāng)水滴與表面接觸時(shí)，膠束的存在可能會(huì)阻礙水滴內(nèi)部的能量快速傳遞到表面，從而影響水滴的鋪展和回縮行為。從宏觀角度來(lái)看，膠束的形成對(duì)水滴的流變性質(zhì)產(chǎn)生重要影響。隨著表面活性劑濃度超過(guò)CMC，溶液的粘度會(huì)發(fā)生變化。一般來(lái)說(shuō)，球形膠束的形成會(huì)使溶液的粘度略有增加，而當(dāng)膠束形狀轉(zhuǎn)變?yōu)榘魻罨驅(qū)訝顣r(shí)，溶液的粘度會(huì)顯著增大。在水滴撞擊超疏水表面的過(guò)程中，粘度的變化會(huì)影響水滴的運(yùn)動(dòng)行為。較高的粘度會(huì)增加水滴內(nèi)部的阻力，使得水滴在鋪展過(guò)程中速度減慢，鋪展直徑減小。在回縮階段，粘度的增加也會(huì)阻礙水滴的回縮，延長(zhǎng)水滴與表面的接觸時(shí)間。表面活性劑的聚集結(jié)構(gòu)對(duì)水滴與超疏水表面之間的相互作用也有著重要影響。在固液界面處，表面活性劑分子的吸附和聚集會(huì)改變界面的性質(zhì)。當(dāng)表面活性劑濃度較低時(shí)，分子主要以單體形式吸附在超疏水表面，此時(shí)界面的性質(zhì)主要由超疏水表面的固有特性決定。然而，當(dāng)表面活性劑濃度達(dá)到CMC后，膠束可能會(huì)在界面處吸附和聚集，形成一層相對(duì)致密的吸附層。這層吸附層的存在會(huì)改變界面的潤(rùn)濕性和粘附力。一方面，膠束的吸附可能會(huì)部分破壞超疏水表面的微觀粗糙結(jié)構(gòu)，使得表面的疏水性降低，水滴與表面之間的粘附力增加；另一方面，膠束的存在也可能會(huì)在界面處形成一種緩沖層，減少水滴與表面之間的直接沖擊，從而影響水滴的反彈和濺射行為。在某些情況下，表面活性劑的聚集結(jié)構(gòu)還可能與超疏水表面的微觀結(jié)構(gòu)相互作用，形成更為復(fù)雜的界面結(jié)構(gòu)。超疏水表面的微納結(jié)構(gòu)可能會(huì)捕獲膠束，使得膠束在表面的分布不均勻，從而導(dǎo)致界面的局部性質(zhì)發(fā)生變化。這種局部性質(zhì)的變化會(huì)影響水滴在表面的運(yùn)動(dòng)軌跡和撞擊行為，使得水滴在表面的鋪展、回縮和反彈等過(guò)程變得更加復(fù)雜。4.3表面活性劑與超疏水表面的相互作用表面活性劑與超疏水表面之間存在著復(fù)雜的相互作用，這種相互作用深刻影響著水滴在超疏水表面的撞擊行為。從分子層面來(lái)看，表面活性劑分子在超疏水表面的吸附和取向具有獨(dú)特的特點(diǎn)。在吸附方面，表面活性劑分子的吸附模式受到多種因素的影響。對(duì)于離子型表面活性劑，如陰離子表面活性劑十二烷基硫酸鈉（SDS），其帶負(fù)電荷的親水基團(tuán)會(huì)與超疏水表面上可能存在的正電荷位點(diǎn)發(fā)生靜電相互作用。在某些經(jīng)過(guò)特殊處理的超疏水表面，表面可能帶有微量的正電荷，SDS分子的親水基團(tuán)會(huì)被這些正電荷吸引，從而在表面發(fā)生吸附。陽(yáng)離子表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）則會(huì)與表面帶負(fù)電荷的超疏水表面通過(guò)靜電引力相互作用，實(shí)現(xiàn)吸附。非離子表面活性劑聚氧乙烯失水山梨醇單油酸酯（Tween-80）在超疏水表面的吸附主要依靠分子間的范德華力和氫鍵作用。Tween-80分子中的聚氧乙烯鏈可以與超疏水表面上的一些極性基團(tuán)形成氫鍵，同時(shí)范德華力也會(huì)促使其分子與表面相互靠近，從而實(shí)現(xiàn)吸附。表面活性劑分子在超疏水表面的取向也對(duì)水滴撞擊行為產(chǎn)生重要影響。在超疏水表面，表面活性劑分子的疏水基團(tuán)通常傾向于與表面的低表面能區(qū)域相互作用，而親水基團(tuán)則朝向水相。以SDS為例，其疏水的烷基鏈會(huì)與超疏水表面的低表面能基團(tuán)相互靠近，形成一種相對(duì)穩(wěn)定的吸附結(jié)構(gòu)，而親水的硫酸根離子則朝向水滴，這種取向使得表面活性劑能夠有效地改變水滴與超疏水表面之間的界面性質(zhì)。這種相互作用對(duì)超疏水表面性質(zhì)的改變是多方面的。表面活性劑的吸附會(huì)改變超疏水表面的潤(rùn)濕性。原本具有高接觸角的超疏水表面，在吸附表面活性劑后，由于表面活性劑分子的作用，表面的潤(rùn)濕性發(fā)生變化，接觸角減小。這是因?yàn)楸砻婊钚詣┓肿拥挠H水基團(tuán)增加了表面與水的親和力，使得水滴在表面上更容易鋪展。表面活性劑的吸附還會(huì)影響超疏水表面的微觀結(jié)構(gòu)。在某些情況下，表面活性劑分子的吸附可能會(huì)填充超疏水表面的微觀孔隙或缺陷，改變表面的粗糙度和微觀形態(tài)。這種微觀結(jié)構(gòu)的改變會(huì)進(jìn)一步影響水滴與表面之間的相互作用，如增加水滴與表面之間的粘附力，改變水滴在表面的運(yùn)動(dòng)軌跡和撞擊行為。在水滴撞擊過(guò)程中，表面活性劑與超疏水表面的相互作用會(huì)直接影響水滴的撞擊行為。在鋪展階段，表面活性劑的吸附降低了表面的疏水性，使得水滴能夠更順利地在表面鋪展，鋪展直徑增大。在回彈階段，表面活性劑的存在增加了水滴與表面之間的粘附力，使得水滴的回彈高度和回彈速度降低。在濺射階段，表面活性劑對(duì)表面性質(zhì)的改變會(huì)影響水滴發(fā)生濺射的臨界條件和濺射程度，改變?yōu)R射液滴的數(shù)量和大小分布。五、影響表面活性劑作用效果的因素探討5.1表面活性劑濃度的影響表面活性劑濃度是影響其對(duì)水滴在超疏水表面撞擊行為作用效果的關(guān)鍵因素之一，在整個(gè)作用過(guò)程中扮演著舉足輕重的角色。隨著表面活性劑濃度的變化，其分子在溶液中的狀態(tài)以及與水滴、超疏水表面的相互作用方式都會(huì)發(fā)生顯著改變，進(jìn)而對(duì)水滴的撞擊行為產(chǎn)生復(fù)雜而多樣的影響。在低濃度范圍內(nèi)，表面活性劑分子主要以單體形式存在于溶液中。此時(shí)，由于分子數(shù)量相對(duì)較少，它們?cè)谒伪砻婧鸵汗探缑娴奈搅坑邢蓿瑢?duì)水滴表面張力和液固界面性質(zhì)的改變程度較小。以陰離子表面活性劑十二烷基硫酸鈉（SDS）為例，當(dāng)SDS濃度較低時(shí)，如0.01mM，水滴在撞擊超疏水表面后，鋪展直徑相對(duì)較小。這是因?yàn)樵诘蜐舛认?，SDS分子對(duì)水滴表面張力的降低作用有限，較高的表面張力會(huì)限制水滴的鋪展，使得水滴在撞擊時(shí)，慣性力不足以克服表面張力的束縛，從而無(wú)法充分鋪展。在回彈行為方面，由于表面活性劑對(duì)界面性質(zhì)的改變較小，水滴與超疏水表面之間的相互作用主要由表面的超疏水特性主導(dǎo)，水滴在撞擊后能夠迅速回彈，回彈高度較大。在濺射行為上，低濃度的表面活性劑難以降低水滴發(fā)生濺射的臨界條件，水滴需要較高的撞擊能量才能發(fā)生濺射，濺射程度也相對(duì)較低。隨著表面活性劑濃度逐漸增加，分子開始在溶液表面聚集，形成單分子膜，有效降低了水滴的表面張力。當(dāng)SDS濃度達(dá)到一定值，如1mM時(shí)，水滴的鋪展直徑明顯增大。這是因?yàn)楸砻鎻埩Φ慕档褪沟盟卧趹T性力的作用下能夠更自由地在表面上擴(kuò)散，根據(jù)Young-Laplace方程，表面張力的降低會(huì)導(dǎo)致水滴在固體表面的接觸角減小，從而增加了水滴與表面的接觸面積，促進(jìn)了鋪展行為的發(fā)生。在回彈方面，隨著表面活性劑濃度的增加，表面活性劑分子在水滴表面和液固界面的吸附，降低了水滴的表面張力，增加了水滴與表面之間的粘附力，使得水滴在撞擊后更難從表面反彈，回彈高度和回彈速度會(huì)降低。在濺射方面，表面張力的降低使得水滴更容易發(fā)生變形和破裂，只需較小的慣性力就能夠引發(fā)濺射現(xiàn)象，即產(chǎn)生濺射的臨界韋伯?dāng)?shù)下降，濺射程度增加。當(dāng)表面活性劑濃度繼續(xù)增加，達(dá)到臨界膠束濃度（CMC）時(shí)，分子會(huì)在溶液中形成膠束。以SDS為例，當(dāng)濃度增加到10mM時(shí)，膠束的形成會(huì)對(duì)水滴的撞擊行為產(chǎn)生新的影響。膠束的形成會(huì)增加溶液的粘度，根據(jù)流體力學(xué)原理，粘度的增加會(huì)阻礙水滴的流動(dòng)和變形。在鋪展階段，較高的粘度會(huì)使水滴在鋪展過(guò)程中受到更大的阻力，導(dǎo)致鋪展直徑的增大趨勢(shì)逐漸變緩，甚至在一定程度上減小。在回縮階段，粘度的增加也會(huì)阻礙水滴的回縮，延長(zhǎng)水滴與表面的接觸時(shí)間。在濺射方面，雖然表面張力繼續(xù)降低，但由于粘度的增加，水滴在撞擊時(shí)難以形成大量的濺射液滴，濺射程度反而減小。當(dāng)表面活性劑濃度超過(guò)CMC后，膠束的數(shù)量和大小會(huì)隨著濃度的增加而發(fā)生變化。此時(shí)，溶液的性質(zhì)和表面活性劑與水滴、超疏水表面的相互作用變得更加復(fù)雜。膠束可能會(huì)在界面處吸附和聚集，形成一層相對(duì)致密的吸附層，進(jìn)一步改變界面的潤(rùn)濕性和粘附力。在某些情況下，表面活性劑的聚集結(jié)構(gòu)還可能與超疏水表面的微觀結(jié)構(gòu)相互作用，形成更為復(fù)雜的界面結(jié)構(gòu)，從而對(duì)水滴的撞擊行為產(chǎn)生更為顯著的影響。5.2表面活性劑類型差異的影響不同類型的表面活性劑，由于其分子結(jié)構(gòu)和電荷性質(zhì)的顯著差異，在水滴撞擊超疏水表面的過(guò)程中，展現(xiàn)出截然不同的作用效果。這種差異不僅體現(xiàn)在對(duì)水滴表面張力、液固界面性質(zhì)的改變上，還深刻影響著水滴的鋪展、回彈和濺射等撞擊行為。陰離子表面活性劑，如十二烷基硫酸鈉（SDS）和十二烷基苯磺酸鈉（SDBS），在水中解離后帶負(fù)電荷。其作用效果主要源于靜電作用和表面張力的降低。在與超疏水表面接觸時(shí)，帶負(fù)電的親水基團(tuán)會(huì)與表面上可能存在的正電荷位點(diǎn)發(fā)生靜電相互作用，從而吸附在表面上。這種吸附改變了表面的電荷分布和潤(rùn)濕性，使得水滴與表面之間的相互作用發(fā)生變化。SDS能夠顯著降低水滴的表面張力，促進(jìn)水滴在超疏水表面的鋪展。在低濃度下，SDS分子主要以單體形式存在，隨著濃度的增加，分子開始聚集形成膠束，進(jìn)一步降低表面張力。在鋪展過(guò)程中，較低的表面張力使得水滴在慣性力的作用下能夠更自由地在表面上擴(kuò)散，鋪展直徑增大。在回彈階段，SDS的存在增加了水滴與表面之間的粘附力，使得水滴的回彈高度和回彈速度降低。陽(yáng)離子表面活性劑，以十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）為代表，其分子在水中解離后帶正電荷。與陰離子表面活性劑不同，CTAB在與超疏水表面接觸時(shí)，會(huì)與表面帶負(fù)電荷的位點(diǎn)通過(guò)靜電引力相互作用。在低濃度下，CTAB分子會(huì)吸附在超疏水表面，使得表面的靜電排斥力增加，水滴與表面之間的粘附力減小。這種情況下，水滴在撞擊后更容易回彈，回彈高度相對(duì)較高。隨著CTAB濃度的增加，雖然表面張力也會(huì)降低，但由于靜電作用的影響，水滴與表面之間的粘附力變化較為復(fù)雜。在一定濃度范圍內(nèi)，靜電作用可能會(huì)導(dǎo)致水滴與表面之間的粘附力進(jìn)一步減小，使得回彈高度降低不明顯；而當(dāng)濃度繼續(xù)增加時(shí)，CTAB分子在表面的吸附可能會(huì)達(dá)到飽和，此時(shí)表面張力的降低作用會(huì)逐漸顯現(xiàn)，回彈高度開始逐漸降低。在濺射行為上，CTAB對(duì)濺射臨界條件和濺射程度的影響也受到靜電作用和表面張力變化的雙重影響，其變化趨勢(shì)更為復(fù)雜。非離子表面活性劑，如聚氧乙烯失水山梨醇單油酸酯（Tween-80），在水中不解離，其作用主要依靠分子間的范德華力和氫鍵作用。Tween-80分子通過(guò)氫鍵等非靜電作用與水分子相互作用，在水滴表面形成一層較為均勻的保護(hù)膜，降低表面張力。由于其非離子特性，與表面之間的相互作用相對(duì)較弱，對(duì)水滴撞擊行為的影響相對(duì)較為平緩。隨著Tween-80濃度的增加，表面張力逐漸降低，水滴在超疏水表面的鋪展直徑逐漸增大，鋪展時(shí)間逐漸縮短；回彈高度和回彈速度逐漸降低，回彈次數(shù)減少；濺射的臨界韋伯?dāng)?shù)逐漸下降，濺射程度先增加后在一定濃度范圍內(nèi)保持相對(duì)穩(wěn)定，最后隨著粘度的增加而略有減小。兩性離子表面活性劑，以十二烷基二甲基甜菜堿（BS-12）為例，其分子同時(shí)含有酸性親水基團(tuán)和堿性親水基團(tuán)，在不同的pH值條件下，會(huì)表現(xiàn)出不同的性質(zhì)。在酸性條件下，BS-12分子的陽(yáng)離子部分會(huì)發(fā)揮作用，與超疏水表面發(fā)生靜電相互作用，影響水滴的鋪展和回彈等行為；在堿性條件下，其陰離子部分的作用則更為顯著；在中性條件下，BS-12分子的兩性特性使其能夠在液滴表面和液固界面形成較為穩(wěn)定的吸附層，有效降低表面張力，促進(jìn)水滴的鋪展。在不同pH值下，隨著BS-12濃度的增加，水滴的鋪展直徑、鋪展時(shí)間、回彈高度、回彈速度、回彈次數(shù)以及濺射行為等都會(huì)發(fā)生復(fù)雜的變化，需要綜合考慮其兩性特性以及與表面的相互作用來(lái)進(jìn)行分析。5.3超疏水表面特性的影響超疏水表面的特性，如粗糙度和化學(xué)組成，對(duì)表面活性劑在水滴撞擊過(guò)程中的作用效果有著顯著的影響。這些特性與表面活性劑之間的相互作用，共同決定了水滴在超疏水表面的撞擊行為。從粗糙度的角度來(lái)看，超疏水表面的微觀粗糙度對(duì)表面活性劑的作用效果有著重要影響。在低粗糙度的超疏水表面，表面活性劑分子更容易在表面均勻吸附，形成較為穩(wěn)定的吸附層。這是因?yàn)榈痛植诙缺砻嫣峁┝讼鄬?duì)平整的吸附位點(diǎn)，使得表面活性劑分子能夠更緊密地排列在表面上。在這種情況下，表面活性劑能夠有效地降低水滴與表面之間的界面張力，促進(jìn)水滴在表面的鋪展。當(dāng)水滴撞擊低粗糙度的超疏水表面時(shí)，表面活性劑分子的吸附層能夠減小水滴與表面之間的阻力，使得水滴在慣性力的作用下能夠更順利地鋪展，鋪展直徑相對(duì)較大。然而，對(duì)于高粗糙度的超疏水表面，情況則有所不同。高粗糙度表面具有復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)，如納米級(jí)的凸起、孔洞和溝槽等。這些微觀結(jié)構(gòu)會(huì)影響表面活性劑分子的吸附和排列方式。一方面，高粗糙度表面的微觀結(jié)構(gòu)可能會(huì)捕獲表面活性劑分子，使得分子在表面的分布不均勻，難以形成連續(xù)的吸附層。在一些具有納米級(jí)凸起的超疏水表面，表面活性劑分子可能會(huì)優(yōu)先吸附在凸起的尖端，而在凹陷處的吸附量較少，導(dǎo)致吸附層的不連續(xù)性。另一方面，高粗糙度表面的微觀結(jié)構(gòu)會(huì)增加水滴與表面之間的接觸面積和接觸復(fù)雜性。當(dāng)水滴撞擊高粗糙度的超疏水表面時(shí)，水滴會(huì)與表面的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生復(fù)雜的相互作用，表面活性劑分子的吸附層在這種復(fù)雜的相互作用下，其降低界面張力和促進(jìn)鋪展的效果會(huì)受到一定程度的抑制。水滴在高粗糙度表面的鋪展可能會(huì)受到微觀結(jié)構(gòu)的阻礙，導(dǎo)致鋪展直徑減小，鋪展過(guò)程也可能變得不穩(wěn)定。超疏水表面的化學(xué)組成同樣對(duì)表面活性劑的作用效果產(chǎn)生重要影響。不同的化學(xué)組成決定了表面的表面能和電荷性質(zhì)等，從而影響表面活性劑與表面之間的相互作用。對(duì)于含氟超疏水表面，其表面能極低，這是由于氟原子的電負(fù)性大，碳-氟鍵（C-F）的鍵能高，使得表面具有很強(qiáng)的疏水性。在這種表面上，表面活性劑分子的吸附和作用機(jī)制較為特殊。由于表面能極低，表面活性劑分子的疏水基團(tuán)與表面的相互作用較弱，其在表面的吸附可能主要依靠親水基團(tuán)與表面的微弱相互作用。這可能導(dǎo)致表面活性劑在含氟超疏水表面的吸附量相對(duì)較少，吸附穩(wěn)定性也較差。當(dāng)水滴撞擊含氟超疏水表面時(shí)，表面活性劑對(duì)水滴撞擊行為的影響相對(duì)較小，水滴的鋪展、回彈和濺射等行為主要受表面的低表面能和微觀結(jié)構(gòu)的影響。而對(duì)于硅基超疏水表面，其化學(xué)組成和表面性質(zhì)與含氟超疏水表面有所不同。硅基表面通常含有硅-氧鍵（Si-O），具有一定的極性。表面活性劑分子在硅基超疏水表面的吸附可能通過(guò)多