金属泡沫的润湿和渗吸

文献阅读思考

目前所确知的一些实验事实：

• unsaturated 的金属泡沫上液滴大概率呈现钝角接触角，一般在110°~130°，伴随很大的滚动角，即，此时的表面不是一般所说的疏水或超疏水表面；接触角随ppi有轻微变化；
• 说到滚动角，实际上将液滴竖直悬挂或者水平悬挂时液滴也不会滑落。这似乎说明此时液滴确实是亲水的。似乎有必要看一下大接触角、大滚动角说明什么问题。
• 若使用nikel的接触角为本征接触角，则金属泡沫的接触角不符合wenzel规律；可能符合Cassie-Baxter规律
• 相同存储条件下的Nikel片表现出中性或略微锐角接触角；此接触角随时间缓慢变化，大约要数十秒才能基本稳定；
• saturated的金属泡沫吸水能力很强，小ppi的样本吸水能力强于大ppi样本，尽管大ppi样本具有更大的毛细压力
  其实可以怀疑液体并非被吸进去的。按理说饱和多孔介质的相对渗透系数是0，也就是说没有毛细吸水能力。那么液体进入多孔介质纯粹是由于重力。这样一来ppi越大对液体禁入的阻力自然越大了。
  不过此时把金属泡沫立起，边缘确实会形成吸水的弯液面。也就是说，确实是亲水的。。。可以测量一下此时的接触角。
• 胡海涛的文章[1]给出了成套的金属泡沫亲水、疏水改性的方法，做油水分离的很多文章都有相应的疏水改性方法。而清洁的方法应多见于做燃料电池的文章。现在问题在于，如果给金属泡沫改性成亲水的，然后液滴一下子就进入了，那么岂不是说明结构对润湿性没有决定作用？那么结构的影响到底在什么时候其作用呢？
• 甲基硅油可以迅速渗入样品，而水会在其上形成附着的液滴。很难说，其实亲油也不代表疏水。毕竟水的滚动角那么大（$\infty$）(2019.09.03)

现象：

• 金属本身是轻微亲水的，但是干燥状态的金属泡沫上液滴呈现120°左右接触角，没有imbibition和spreading;
• 润湿的金属泡沫上，液滴存在imbibition和spreading。

• 目前几组简单的实验结果（90，300，800ppi，1m/s, 2.6mm(water),2.3mm(SDS)）：

  • imbibition的速度与含水量关系较小；

  • imbibition的速度随ppi增大减小。90ppi中速度太大，以致于很难观察到spreading；

  • spreading的限度跟金属泡沫含水量关系较大；

  • spreading的速度（铺展半径增长速度）随ppi增大增大(water和SDS趋势相似,90ppi的spreading小于1)
    
• 实验照片（water，90ppi,9±0.4ms）
  t = 1ms
  
  t = 2.8ms
  
  t = 6.4ms
  

解释

• 之前我们把pore简化成半圆形，这样因为曲率的原因，液面自然会停在pore中间，但这不好解释为什么含水状态下可以入侵；
• 引入毛细阀：因为金属泡沫的pore具有大量重复的突扩结构，液滴没有外界压力难以突破这些结构；一旦材料含水，毛细阀效应消失，渗吸和铺展出现；
• 由于渗吸和铺展与金属泡沫中存水有关，因此渗吸和铺展的速度、限度与含水量有关也说得通
• imbibition速度原因：惯性力+毛细力共同作用；
• spreading速度原因：起先惯性力主导，后来毛细力主导

验证

• 测量、对比样品的比表面积，孔隙率，ppi（比表面积测量仪&micro-CT）

• 做不同ppi、不同含水量、不同Ca数的金属泡沫的渗吸、铺展实验，测量其铺展半径与时间关系、渗吸速度与时间关系

• 在原有的渗吸、铺展模型中加入液膜中液体传输的考虑，假设液膜中是泊素叶流动