1、氣泡鋪展過(guò)程動(dòng)力學(xué)研究
自然界和工業(yè)應(yīng)用中氣泡在固體表面上的鋪展起著很重要的作用，例如礦物浮選、表面自清潔等。在鋪展的早期階段，接觸線運(yùn)動(dòng)速度較快且尺度較小，給實(shí)驗(yàn)研究帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)采用千眼狼高速攝像技術(shù)，追蹤氣泡在均質(zhì)固體（特氟龍、有機(jī)玻璃、玻璃、不銹鋼）以及非均質(zhì)固體（褐煤和無(wú)煙煤）表面的鋪展過(guò)程，研究了氣泡鋪展過(guò)程動(dòng)力學(xué)行為，進(jìn)一步觀察氣液界面形態(tài)演變規(guī)律。（詳情可見(jiàn)《基于高速動(dòng)態(tài)的氣泡鋪展過(guò)程動(dòng)力學(xué)行為研究》）
2、實(shí)驗(yàn)方法
為精確觀測(cè)單個(gè)氣泡在固體表面上的動(dòng)態(tài)鋪展過(guò)程，科研團(tuán)隊(duì)搭建了可視化的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如圖1所示。該系統(tǒng)是由觀測(cè)槽、氣泡產(chǎn)生、高速圖像采集以及光源部分等構(gòu)成。圖像采集部分由千眼狼高速攝像機(jī)和計(jì)算機(jī)連接組成。
調(diào)節(jié)微量注射泵以1μL/min速度緩慢生成氣泡，通過(guò)控制針頭與固體表面的距離盡量保持氣泡鋪展的初始形狀和大小一致。當(dāng)氣泡與固體表面即將接觸時(shí)停止氣體進(jìn)樣，氣泡與固體表面接觸后自發(fā)鋪展。通過(guò)高速攝像機(jī)記錄氣泡鋪展全過(guò)程，采集速度為9200fps，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)三次。利用軟件對(duì)高速攝像機(jī)所拍攝圖片進(jìn)行定量化處理，獲取氣泡在固體表面鋪展時(shí)三相線長(zhǎng)度L、最大寬度W及其對(duì)應(yīng)位置H等參數(shù)。
3、試驗(yàn)分析
1/3.氣泡粘附鋪展過(guò)程
當(dāng)氣體進(jìn)樣停止后，水槽中不銹鋼針頭末端的氣泡在慣性作用下緩慢與固體基板接觸，隨后發(fā)生鋪展行為。圖2為氣泡在不同固體表面的接觸鋪展過(guò)程，圖中紅線和綠線分別表示固體表面的基線和氣泡幾何中心的連線。氣泡接近固體表面后首先進(jìn)行排液過(guò)程，當(dāng)氣泡與固體間液膜破裂后隨即開(kāi)始三相線擴(kuò)張過(guò)程。選取氣泡開(kāi)始在固體表面鋪展時(shí)刻為t=0ms。從圖2可看出特氟龍、不銹鋼、有機(jī)玻璃、玻璃基板上氣泡在極短時(shí)間內(nèi)鋪展至較大范圍，隨后鋪展速度變得緩慢直至穩(wěn)定。
從圖2(a-d)可以看出，隨著氣泡在均質(zhì)固體表面鋪展，t=0~15ms內(nèi)，三相接觸線快速擴(kuò)張，此階段稱(chēng)為快速鋪展階段。隨后三線接觸線運(yùn)動(dòng)變得緩慢直至最大擴(kuò)展，此階段稱(chēng)為慢速鋪展階段。從圖2(e-f)可以看出，相比上述四種均質(zhì)樣品，煤樣表面三相線鋪展長(zhǎng)度都較短，且鋪展時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他樣品。從圖2(a-f)中綠色虛線可明顯看出，均質(zhì)固體表面氣泡幾何中心位置隨三相線擴(kuò)張逐漸向固體表面上移，氣泡形狀從初始的近似球形逐漸演變?yōu)榻厝ド隙说臋E球狀。而對(duì)于非均質(zhì)的褐煤和無(wú)煙煤來(lái)說(shuō)，氣泡幾何中心位置有輕微上下波動(dòng)現(xiàn)象，但氣泡的總體形狀仍然保持近似球形。
2/3.氣泡鋪展動(dòng)力學(xué)
當(dāng)氣泡與固體表面之間液膜薄化破裂后，三相接觸線開(kāi)始形成。由于界面處張力不平衡，三相接觸線會(huì)不斷向周?chē)鷶U(kuò)張從而發(fā)生氣相鋪展和固相排液現(xiàn)象。三相接觸線越長(zhǎng)，代表著固體表面氣泡排液能力越強(qiáng)。氣泡在不同均質(zhì)固體表面的鋪展長(zhǎng)度L隨時(shí)間的演化規(guī)律如圖3所示。
由圖可知，三相線運(yùn)動(dòng)過(guò)程包括兩個(gè)階段：①快速鋪展階段（t≤15ms），不同固體表面上氣泡鋪展過(guò)程都表現(xiàn)出普遍的自相似行為，即三相接觸線自液膜破裂后在極短時(shí)間內(nèi)擴(kuò)張到較大長(zhǎng)度，這個(gè)過(guò)程與固體表面初始條件無(wú)關(guān)；②慢速鋪展階段（t>15ms），因固體表面形貌、化學(xué)組成、微觀結(jié)構(gòu)、潤(rùn)濕性等物理化學(xué)性質(zhì)差異，氣泡鋪展過(guò)程具有各自特點(diǎn)。三相線最終鋪展長(zhǎng)度依次是：特氟龍>不銹鋼>有機(jī)玻璃>玻璃。
褐煤和無(wú)煙煤表面三相線鋪展長(zhǎng)度L隨時(shí)間的演化規(guī)律如圖4所示。褐煤表面三相線長(zhǎng)度演變曲線相比于均質(zhì)固體呈現(xiàn)較大差異，而無(wú)煙煤表面三相線長(zhǎng)度演變規(guī)律與均質(zhì)固體比較接近。褐煤和無(wú)煙煤表面氣泡鋪展穩(wěn)定后的最終三相線長(zhǎng)度比均質(zhì)固體平均短約50%。經(jīng)過(guò)多次重復(fù)試驗(yàn)，褐煤表面三相線運(yùn)動(dòng)都具有多次波動(dòng)特征。由此可見(jiàn)，褐煤與無(wú)煙煤表面氣泡鋪展時(shí)間比均質(zhì)固體表面上大至少兩個(gè)數(shù)量級(jí)，且褐煤表面氣泡在慢速鋪展階段有較大的波動(dòng)性。
如圖5所示，固體表面表觀接觸角大小依次是：特氟龍>無(wú)煙煤>不銹鋼>有機(jī)玻璃>玻璃>褐煤。四種均質(zhì)固體表面液滴接觸角大小規(guī)律與上述三相線鋪展長(zhǎng)度規(guī)律保持一致，非均質(zhì)褐煤和無(wú)煙煤接觸角大小也與其三相線鋪展長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)。說(shuō)明潤(rùn)濕性是影響固體表面氣泡鋪展過(guò)程的重要因素。
固體表面潤(rùn)濕性由其表面微觀形貌和表面化學(xué)組成共同決定。如圖6(a)所示，光滑均質(zhì)固體表面氣泡先排開(kāi)氣固之間的液膜，液膜破裂后三相接觸線逐漸對(duì)稱(chēng)性向外擴(kuò)張直至鋪展過(guò)程結(jié)束。
非均質(zhì)固體褐煤和無(wú)煙煤表面粗糙且有裂隙，當(dāng)浸入水中時(shí)會(huì)有微納米級(jí)氣泡賦存于表面上或孔隙中，如圖6(b)。隨著氣泡與煤樣表面的液膜不斷減薄，氣泡會(huì)與表面或裂隙中的小氣泡聚并從而影響三相線移動(dòng)，這可能也是導(dǎo)致前述褐煤表面氣泡面積稍微增大的原因。此外，煤樣表面有機(jī)質(zhì)和無(wú)機(jī)質(zhì)摻雜導(dǎo)致親/疏水位點(diǎn)不同，且凹凸不平的表面形貌使得粗糙度不均勻，三相線在移動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生釘扎效應(yīng)而發(fā)生非對(duì)稱(chēng)性移動(dòng)。因此，可以推斷煤樣表面釘扎效應(yīng)以及氣泡聚并融合效應(yīng)相互疊加，使得其三相線運(yùn)動(dòng)規(guī)律與均質(zhì)固體表面相差較大。
伴隨著三相線擴(kuò)張，氣泡的輪廓線及幾何中心均會(huì)發(fā)生變化，這主要源于氣液兩相之間相互作用。均質(zhì)固體表面氣泡鋪展過(guò)程中最大寬度W會(huì)隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化，如圖7(a)所示。當(dāng)氣泡在固體表面開(kāi)始快速鋪展時(shí)，氣泡最大寬度W會(huì)突然減小，圖7(a)中可觀察到在氣泡開(kāi)始鋪展后有一個(gè)明顯的下凹區(qū)域，這對(duì)應(yīng)了鋪展時(shí)三相線長(zhǎng)度的迅速增加。當(dāng)W降到最低點(diǎn)后，快速鋪展過(guò)程結(jié)束，隨后進(jìn)入慢速鋪展階段。在慢速鋪展階段氣泡最大寬度W逐漸增加至穩(wěn)定值。玻璃和有機(jī)玻璃表面W很快達(dá)到平衡且最終W值變化幅度較小，而特氟龍和不銹鋼表面W達(dá)到平衡時(shí)間較長(zhǎng)且最終W值變化幅度較大。氣泡最大寬度W的演變說(shuō)明三相線在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中伴隨著氣泡內(nèi)流體的重分布。
褐煤和無(wú)煙煤動(dòng)態(tài)鋪展過(guò)程中氣泡最大寬度W演變?nèi)鐖D7(b)所示。煤樣表面去潤(rùn)濕過(guò)程中氣泡最大寬度W具有上下波動(dòng)性，但總體呈上升趨勢(shì)。這可能與固體表面化學(xué)結(jié)構(gòu)及微觀形貌有關(guān)。煤階越低，表面粗糙度越大，當(dāng)浸入水中時(shí)，其表面溝壑中的微納米級(jí)氣泡和孔隙中吸附的氣體越多。當(dāng)表面微納米級(jí)氣泡與鋪展氣泡發(fā)生融合，這可能會(huì)增加氣泡體積從而影響氣泡寬度。由此可見(jiàn)，煤表面物理或化學(xué)結(jié)構(gòu)的非均勻性使得三相線運(yùn)動(dòng)過(guò)程中氣泡最寬處表現(xiàn)出不穩(wěn)定性。
在三相線擴(kuò)展過(guò)程中，最大寬度W反映氣泡的橫向特征，為了探究氣泡的縱向特征，定義氣泡位置H為氣泡最大寬度處與固體基線的距離。對(duì)于均質(zhì)固體，氣泡位置H隨時(shí)間急劇減小，再緩慢減小至穩(wěn)定值，這與三相線長(zhǎng)度L和氣泡最大寬度W變化規(guī)律相吻合。褐煤和無(wú)煙煤表面，氣泡位置H隨時(shí)間變化不太明顯，總體呈波動(dòng)性緩慢下降，下降幅度不大。通過(guò)軟件提取氣泡輪廓線如圖8所示，可直觀看出隨著三相線擴(kuò)張，氣泡位置H逐漸上移接近固體表面，其中特氟龍和不銹鋼表面氣泡位置上移最多，褐煤和無(wú)煙煤表面氣泡位置上移最少。
氣液界面相互作用隨著三相線鋪展而變化，與固體表面潤(rùn)濕性質(zhì)密切相關(guān)。固體表面疏水性越強(qiáng)，水化膜越穩(wěn)定，水化膜擴(kuò)張能力越強(qiáng)，液膜被排開(kāi)越遠(yuǎn)，因而三相線鋪展越長(zhǎng)，氣液界面形變?cè)酱蟆Ｈ欢蔷|(zhì)固體表面親疏水位點(diǎn)不同以及局部微觀結(jié)構(gòu)差異較大，導(dǎo)致其三相線運(yùn)動(dòng)及氣液界面演變規(guī)律較復(fù)雜。
4、試驗(yàn)結(jié)論
（1）氣泡鋪展過(guò)程中，三相線主要經(jīng)歷快速與慢速鋪展，快速鋪展階段表現(xiàn)出自相似行為特征，慢速階段受固體表面形貌、化學(xué)組成、微觀結(jié)構(gòu)、潤(rùn)濕性等性質(zhì)影響；
（2）固體表面潤(rùn)濕性是影響氣泡鋪展行為的重要因素，煤樣表面非均勻潤(rùn)濕性是導(dǎo)致其氣泡鋪展行為與均質(zhì)固體較大差異的根本原因。煤樣表面三相線鋪展長(zhǎng)度比均質(zhì)固體短約 50%，且鋪展時(shí)間比均質(zhì)固體大至少兩個(gè)數(shù)量級(jí)；
（3）均質(zhì)固體表面三相線快速鋪展階段遵循指數(shù)b=1/2冪律模型，由表面張力與慣性力主導(dǎo)；慢速鋪展階段遵循指數(shù)b=1/10冪律模型，由表面張力與粘性力主導(dǎo)；煤樣表面快速鋪展階段三相線也符合指數(shù)b=1/2冪律模型；
（4）伴隨著三相線擴(kuò)張，氣液兩相相互作用使得氣液界面發(fā)生變化，尤其是均質(zhì)固體表面。煤樣表面因物理或化學(xué)結(jié)構(gòu)的非均勻性產(chǎn)生的氣體融合和釘扎效應(yīng)使得氣液界面表現(xiàn)出小范圍內(nèi)的波動(dòng)。
5、總結(jié)
本次實(shí)驗(yàn)采用高速攝像機(jī)對(duì)氣泡鋪展過(guò)程進(jìn)行了可視化研究實(shí)驗(yàn)，考察固體表面性質(zhì)對(duì)氣泡鋪展行為的影響，探究三相線運(yùn)動(dòng)機(jī)理和氣液界面形態(tài)演變規(guī)律，為深入理解顆粒-氣泡粘附過(guò)程及顆粒-氣泡氣絮體界面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性奠定理論基礎(chǔ)。（此文源自中國(guó)礦業(yè)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)）
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