聚酰亚胺表面微结构与温度对界面润湿性和Leidenfrost温度的影响

Surface wettability and droplet control were core issue for micro-reactor design. Wettability on micro-structured surfaces and the self-lubrication and self-drive ability of the Leidenfrost droplet have attracted much attention. Most researchers neglect the effect of temperature when they investigate the wetting behaviors on micro-structured surfaces. The micro-structure effect on Leidenfrost phenomenon was studied only on the Si and Metal surfaces. In order to design a high-temperature micro-reactors and control the droplet exactly, this research project will be implemented as follows: the designed micro-structures will be fabricated on the polyimide surfaces using photolithography and hot embossing technologies; the profile characterization and temperature effect on the micro-structured polyimide surfaces’ wettability of single-phase regime droplet will be investigated by theory of conservation of energy and line tension theory, the contact angle model with temperature effect coefficient will be established. The temperature effect coefficient will be determined by the experiment results. The droplet impact behaviors on superheated micro-structured polyimide surface will be analysis using high-speed camera technique. The effect of micro-structure profile on the Leidenfrost point on the micro-structured polyimide surfaces will be discussed. This is a fundamental research which will provide theoretical basis for the surface resistance reducing, transportation of high-temperature droplet and micro-reactor design.

界面润湿性和液滴控制对微液滴反应器的设计至关重要。微结构表面的润湿性、高温Leidenfrost液滴优异特性备受瞩目。现有微结构对润湿性影响的研究忽略了温度的影响，微结构表面Leidenfrost液滴的研究仅在无机表面上进行；尚未见到以聚合物为加热面的微结构化表面润湿性变化和Leidenfrost现象的研究。为实现液滴的精确控制和高温微反应器的设计，本课题将：基于光刻和热压印法在聚酰亚胺表面制备不同形状和尺寸的微结构；引入温度影响系数，采用能量守恒和接触线张力能量理论建立单相态状态下微结构表面接触角预测模型，通过实验确定温度影响系数；利用高速摄影技术，分析液滴冲击热表面的行为，研究聚酰亚胺表面微结构对Leidenfrost温度的影响，量化微结构形状和特征尺寸对Leidenfrost温度的影响。本研究属应用基础研究课题，将为减小表面流动阻力、高温液滴输送和微反应器的设计提供理论基础。

润湿是科学研究和工程应用中极为常见的一种现象。环境温度和表面微结构是影响液滴表面活性及润湿性能的关键因素。本课题针对高温耐热聚合物表面的润湿性和液滴撞击行为，结合微细加工及高速摄影技术进行了系统研究。首先，通过微细加工技术中的软光刻技术和光刻和纳米压印技术在聚酰亚胺薄膜表面制备出微柱结构表面，通过设计多种尺寸参数与截面形状的微柱结构使已加工表面具有多样的界面润湿性，并测量了30-90℃微结构表面的润湿性。然后，修正已有粗糙表面接触角预测方程，加入温度影响因素。结合实验结果和能量守恒与接触线张力能量理论建立了单相态微结构表面的接触角预测方程。最后，利用高速摄影技术，对液滴与超高温微结构表面碰撞进行了测量并分析了超高温微结构表面液滴的冲击行为。通过表征尺寸稳定且均一的微米级微结构聚酰亚胺表面上液滴形态, 分析了表面轮廓与液滴Leidenfrost 点之间关系。特征尺寸相同的微结构表面的Leidenfrost 温度为正方形<六边形<三角形。并且柱体间距的降低而提高，随方柱体体积的减小而降低。综合上述结果，本研究为探讨高温界面润湿性及液滴运动控制的机制奠定了坚实的工作基础。同时对工业特殊润湿性界面的制造及微流控系统液滴控制有非常重要的理论意义和应用价值。