Page 65 - 应用声学2019年第2期

第 38 卷 第 2 期 关昭等： 基于兰姆波在倾斜镜子基板上的油水微分离实验 211

6.5
波器、微量移液器、压电陶瓷、自制的放大器电路
5.5 单元、液体容器、单反相机系统、1 mm 厚的镜子基
板等。
5.0
ሏ᭧ͯረ/nm 4.5 函数信号发生器产生 1 MHz 频率的连续方形电信
直流稳压电源所能提供的电压范围为0∼30 V。
4.0

外，激发电压峰值幅度在示波器图像区域可以被检
3.5 号施加到压电陶瓷的两端，激发产生兰姆波。此
测并显示。微量移液器的量程分别为 0.5∼10 µl 和
3.0
138 150 162 174 186 198
10∼100 µl。单反相机 (EOS 5D Mark III)，配备镜
༏ԧႃԍ/V pp
头型号为 (24-70F4L)。通过使用摄像机来记录油水
图 2 激发电压与离面位移线性关系
分离的全过程，进行数据采集。当油滴从混合液滴
Fig. 2 The relationship of excitation voltage and
中分离出来时，水滴将由基板下方所放置的液体容
offset displacement
器收集起来。利用环氧树脂胶将压电陶瓷粘贴在镜
式 (8) 中：k 为一个与液滴形状有关的数值常数，通 子基板上。
常由实验确定；γ 为液体的表面张力；R 为液滴的半
2.2 实验方法
径；θ r 和 θ α 分别表示液滴的前进接触角和后退接
触角。 将镜子基板固定为实验所需要的角度。然后，
20 C 时，水的黏度为 1 mPa·s，橄榄油的黏度 在基板表面涂抹一层疏水性涂层，以保证液滴的接
◦
触角达到 90 。利用微量移液器，按比例滴入油滴
◦
为1.499 Pa·s。由于水和橄榄油的黏度差别很大，水
和水滴，形成不同体积比的油水混合液滴。图3(a)、
滴和油滴在分离过程中，在基板表面所受的阻力 F r
是不同的。因为高黏度液滴在运动过程中，存在一 图 3(b)分别为滴在基板表面，所形成的水滴和油滴。
个很大的力来阻止液滴的运动 [4] 。因此，可以得出 对于制备油水混合液滴，已经成功探究了三种
油水混合液滴在分离过程中，油滴的阻力大于水滴 方法。这些方法的不同之处在于油滴和水滴被放置
的阻力，即F r-Oil > F r-Water 。为了直观地反映影响 在基板表面上的位置或顺序。第一种方法，将水滴
油水混合液滴分离位移的相关关系，此处将声流力 直接滴在基板表面的油滴上，形成的油水混合液滴
沿x、z 轴方向进行分解，在油水分离的过程中，油水 如图 3(c) 所示。第二种方法，将油滴和水滴并排滴
混合液滴所受力的平衡方程可被推导为 在基板表面如图 3(d) 所示。而第三种方法是将油
滴直接滴在水滴的顶部，如图 3(e) 所示。观察实验
mg sin α + F Sx − F r = ma x , (9)
现象，我们发现第一种方法与第三种方法在形成油
F Sz − mg cos α = ma z , (10) 水混合液滴的结果上是相似的。这表明，油水混合

其中：α 为基板倾角，a x 、a z 为液滴获得的加速度。 物的结构不依赖于形成油水混合液滴的方法。本实
根据平衡方程可以清晰地看出影响油水分离位移 验，将采用第一种方法形成油水混合液滴。其中蓝
相关因素之间的关系，在之后的章节会针对相关影 色虚线为油水混合液滴中水滴的轮廓。
响因素逐一深入探讨。
2.3 实验程序
综上所述，显然，水滴在分离过程中将获得比
图4展示了油滴从油水混合液滴中被分离出来
油滴更大的驱动力，水滴运动更快，而油滴则落在水
的全过程，实验是在 20 C 的室温下完成的。首先，
◦
滴之后，与实验现象一致，实现油水的微分离。
将涂好疏水层的镜子基板固定在试验台架上，利用
2 实验要求 上述第一种方法，将形成的油水混合液滴放置在基
板表面，如图 4(a) 所示。当开启兰姆波发生器装置，
2.1 实验装置 激发电压被施加在压电陶瓷的两端，通过压电陶瓷
实验研究基于兰姆波装置平台开展的。该实验 的逆压电效应，激发兰姆波，产生声流力。由于本实
装置平台包括直流稳压电源、函数信号发生器、示 验所激发的兰姆波是A0模态，所以在基板表面形成