Численное моделирование течения и смешения жидкостей в микрофлюидных устройствах с текстурированными стенками, проявляющими ультрагидрофобные свойства
ВВЕДЕНИЕ
В современном материаловедение одним из перспективных и развивающихся направлений можно считать супергидрофобные материалы. Эти материалы могут поспособствовать созданию изделий, практически не контактирующих с водой. Для того что бы можно было отнести материал к супергидрофобному, его краевой угол для смачивания капли воды должен быть больше 150°, а также гистерезис смачивания этого угла меньше 3°. На границе межфазной границе образуется газовый слой, что позволяет использовать газ как смазочное вещество. Благодаря этому краевой угол для капли воды увеличивается до 180°, а скорость потока воды возрастает.
Гидрофобность следует рассматривать как малую степень гидрофильности, т.к. между молекулами воды и любого тела всегда будут действовать в большей или меньшей степени межмолекулярные силы притяжения
Актуальность данной работы заключается в востребованности изучения супергидрофобных поверхностей, а также её свойств.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение 3
1 Обзор литературных источников 4
1.1 Супергидрофобные поверхности 4
1.2 Смачивание супергидрофобных поверхностей. Состояния супргидрофобного смачивания 7
1.3 Гидродинамические свойства супергидрофобных поверхностей 9
1.3.1 Длина скольжения супергидрофобных поверхностей 9
1.4 Применение супергидрофобных свойств. 12
1.4.1 Эпоксидные покрытия с пониженной поверхностной энергией и биоцидными свойствами из порошковых композиций, обладающих супергидрофобными свойствами. 12
1.4.2 Гидродинамические и электрокинетические течения вблизи супергидрофобных поверхностей. 14
1.4.3 Синтез амфифильных диблок-сополимеров и получение супергидрофобных покрытий на их основе 15
2 Численная методика и тестирование расчётного алгоритма 17
3 Моделирование течения жидкости в микроканале с шероховатостями 25
Заключение 30
Список используемых источников 31
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ
1.Дубов, А.Л. Смачивание и гидродинамические свойства анизотропных супергидрофобных поверхностей: автореф. дис. …доктор физико-математических наук: 01.04.07 / Дубов Александр Леонидович. – 2015.
2. Dynamical superhydrophobicity / M. Reyssat, D. Richard, C. Clanet, D. Quere // Faraday Discuss. — 2010. — Vol. 146. — P. 19–33.
3. Quere D. Fluid dynamics - impact on everest // Nature. — 2005. — Vol. 435, no. 7046. — P. 1168–1169
4. Vinogradova O. I., Belyaev A. V. Wetting, roughness and flow boundary conditions // J. Phys.: Condens. Matter. — 2011. — Vol. 23. — P. 184104.
5. Bocquet L., Lauga E. A smooth future? // Nat. Mater. — 2011. — Vol. 10, no. 5. — P. 334–337
6. Stone H., Stroock A., Ajdari A. Engineering flows in small devices: Microfluidics toward a lab-on-a-chip // Annu. Rev. Fluid. Mech. — 2004. — Vol. 36. — P. 381– 411.
7. Quere D. Wetting and roughness // Annu. Rev. Mater. Res. — 2008. — Vol. 38. — P. 71–99.
8. Whitesides G. M. The origins and the future of microfluidics // Nature. — 2006. — Vol. 442. — P. 368–373.
9. Belyaev A. V., Vinogradova O. I. Effective slip in pressure-driven flow past superhydrophobic stripes // J. Fluid Mech. — 2010. — Vol. 652. — P. 489–499.
10.Wenzel R. N. Resistance of solid surfaces to wetting by water // Ind. Eng. Chem. — 1936. — Vol. 28, no. 8. — P. 988–994.
11.Cassie A., Baxter S. Wettability of porous surfaces // Trans. Faraday Soc. — 1944. — Vol. 40. — P. 546–551.
12.Козьмина, Н. С. Эпоксидные покрытия с пониженной поверхностной энергией и биоцидными свойствами из порошковых композиций: автореф. дис. … канд. технических наук: 05.17.06 / Козьмина Наталия Сергеевна. – 2020.
13. Stone H. A., Stroock A. D., Ajdari A. Engineering Flows in Small Devices // Annual Review of Fluid Mechanics. 2004. Vol. 36. Pp. 381–411.
14. Squires T. M., Quake S. R. Microfluidics: Fluid physics at the nanoliter scale // Reviews of Modern Physics. 2005. Vol. 77. Pp. 977–1026.
Однако неизбежное наличие на границе с жидкостью твердых участков с очень маленьким (или нулевым) скольжением приводит к существенным ограничениям на достижимую длину скольжения.
1.4 Применение супергидрофобных свойств1.4.1 Эпоксидные покрытия с пониженной поверхностной энергией и биоцидными свойствами из порошковых композиций, обладающих супергидрофобными свойствамиРазвитие промышленного производства и возросшие экологические требования к лакокрасочным материалам (ЛКМ) стимулируют рост объемов потребления порошковых красок благодаря их безопасности для окружающей среды, технологичности применения и экономическим показателям.
Снижение поверхностной энергии покрытия значительно повышает их противокоррозионные, противообрастающие, антиобледенительные, антимикробные свойства, способность к самоочищению.