Экспериментально установлено отсутствие влияния масштабного фактора на скольжение воды в открытом лотке с супергидрофобным покрытием. Впервые получено, что в этом случае течение воды происходит с отрывом потока от боковых стенок.

В последние годы значительный научный и практический интерес представляют исследования высокогидрофобных твердых поверхностей (покрытий). Это, прежде всего, объясняется тем, что такие покрытия имеют широкий потенциал возможного применения, так как позволяют решить многие проблемы в самых различных областях. Среди этих проблем можно, например, назвать такие как: борьба с коррозией металлических конструкций; борьба с биообрастаниями днищ судов (кораблей) и поверхностей каналов (труб) для транспортировки различных жидкообразных компонентов; защита различных поверхностей от отложения пыли и грязи и др.

В этой связи большой интерес представляет эффект скольжения жидкости по гидрофобной твердой поверхности. Эффект скольжения жидкости проявляется в том, что нарушается обычная структура течения жидкости по твердой поверхности: жидкость не прилипает, а начинает скользить (скатываться) вдоль твердой поверхности.

Впервые вопрос о возможности появления эффекта скольжения жидкости (воды) на гидрофобных твердых поверхностях поднимался более ста лет назад. За прошедшее время опубликовано сравнительно большое количество работ по экспериментальным исследованиям указанной проблемы. Первые эксперименты относились к скольжению воды вдоль гидрофобной поверхности. Но, как отмечено в работе [1], это явление должно быть обобщено на все системы с несмачивающими жидкостями (включая, например, скольжение ртути по стеклу) [2-4].

В работах [2, 3] была сделана попытка его расчетно-теоретической оценки с позиций теории вязкости Я. И. Френкеля в объеме жидкости, которая была соответствующим образом трансформирована к поверхностным процессам. В качестве критерия оценки действия эффекта было принято отношение (Q-Q₀)/Q₀, где Q – расход жидкости при наличии эффекта скольжения в каналах с покрытием, Q₀ – расход жидкости при отсутствии такого эффекта. На основе теоретических выкладок было получено расчетное выражение для вышеуказанного критерия, в которое среди других параметров вошли краевой угол смачивания θ и радиус канала r. Основным определяющим параметром оказался радиус канала, от которого критерий получился в обратно пропорциональной зависимости: (Q-Q₀)/Q₀ ~ 1/r. Заметный эффект скольжения жидкости, как это следует из указанных работ, можно получить лишь в капиллярах, т. е. определяющую роль играет масштабный фактор. Так критерий эффективности в 100 % (т. е. увеличение расхода вдвое) при течении ртути в стеклянном капилляре (θ = 140º) достигается при радиусе капилляра r = 30µ (0,03 мм). Из предложенной в работе зависимости следует, что в каналах с относительно большими размерами эффект скольжения жидкости пропадает. Однако такой вывод, по нашему глубокому убеждению, должен противоречить практике: эффект скатывания жидкости не должен зависеть от размеров канала.

Целями работы были экспериментальная оценка влияния масштабного фактора на эффект скольжения жидкости (воды) по поверхности П-образного лотка (шириной 50 мм), т. е. имеющего относительно большие размеры, с супергидрофобным покрытием, а также сопоставление характеристик течения воды в лотке с покрытием и без него в одинаковых условиях проведения экспериментов.

Для решения указанных целей была создана специальная лабораторная установка.

Автор считает своим долгом выразить большую благодарность Чирьеву В. Б. за помощь, оказанную при сборке лабораторной установки.

Лабораторная установка включала следующие элементы: деревянный бак, П-образный лоток, гибкий шланг с насадкой, передняя и задняя опоры, мерный стакан, электронный секундомер JS-307 c точностью отсчета 0,01 с, штангенциркуль шц-1-150 с глубиномером (точность отсчета 0,1 мм). П-образный лоток представлял отрезок швеллера № 5 длиной 650 мм. На передней опоре размещался деревянный бак квадратного сечения объемом ~ 4 л, в боковой стенке которого был выполнен прямоугольный вырез. Передняя часть лотка опиралась на нижнюю грань выреза бака, а его задняя часть – на заднюю опору. Вода из водопроводного крана поступала в бак через насадку гибкого шланга. Стыки лотка с поверхностью выреза бака заполнялись вязким компаундом, благодаря чему была достигнута полная герметичность даже при поворотах лотка в исследованном диапазоне углов.

Проведены две серии экспериментов: первая – на лотке без покрытия, вторая – на лотке с покрытием его внутренней поверхности. В качестве покрытия было выбрано текстурированное покрытие «Супергидрофоб» на основе наночастиц диоксида кремния, перфторированного модификатора и изопропилового спирта, разработанное химиками в НИИ прикладной акустики г. Дубна. По структуре микрорельефа покрытие напоминало лист лотоса. По данным НИИПА краевой угол смачивания покрытия «Супергидрофоб» в случае воды составлял θ = 156º.

Эксперименты проводились при двух номинальных расходах воды: ~ 15 и 50 мл/с. При каждом расходе воды лоток устанавливался под разными углами наклона к горизонту: α = 0; 0,5; 1; и 1,75º. При этом использовались деревянные подкладки разной толщины, размещенные на задней опоре. Перед проведением экспериментов при начальном угле α= 0º лоток выставлялся по уровню в двух взаимно перпендикулярных направлениях. В процессе проведения экспериментов измерялись следующие параметры:

На лотке с покрытием производилась фотосъемка (вид в плане) ширины струи в трех местах: около створов и посредине между ними. На основании проведенных измерений определялись следующие величины:

1. Максимальная осевая скорость на поверхности струи между передним и задним створами:

V_max = L_б /τ, (1)

где L_б = 500мм, базовое расстояние между створами; τ- время прохождения маркером базового расстояния.

2. Масштаб фотосъемки ширины струи:

M_i = l_фi / l_шi, (2)

где l_фi – ширина швеллера (фиксированного объекта), измеренная на фото в соответствующем месте; l_шi – действительная ширина швеллера; i = 1,2,3 соответствуют местам у переднего створа, посредине между створами и у заднего створа.

3. Действительная ширина струи воды определялась с использованием перспективно-горизонтального метода измерительной фотографии:

b_i = (b_фi / M_i) K_п1i K_п2i, (3)

где b_фi – ширина струи воды, измеренная на фото в соответствующем месте; K_п1i – поправочный коэффициент, учитывающий расстояние между объективом и предметом съемки, т.е. линейный масштаб фотосъемки. В результате специально проведенной методической работы была получена зависимость между K_п1i и M_i, которая удовлетворительно описывается следующим полиномом:

K_п1i = – 0,1393 M_i³ + 0,3936 M_i² – 0,2377 M_i + 1,1031. (4)

K_п2i – поправочный коэффициент, учитывающий глубину снимаемого объекта (струи), размещенного на поверхности основания лотка в соответствующем месте, т.е. глубинный масштаб фотосъемки:

K_п2i = – 0,0077h_i + 1,057; h_i – глубина струи, осредненная по результатам шести измерений в соответствующем месте.

При обработке результатов каждого эксперимента также определялись: площадь живого сечения струи в соответствующем месте лотка S_i и средняя между створами площадь сечения S; средняя по сечению и между створами скорость течения V; коэффициент заполнения сечения лотка K_Z и коэффициент увеличения пропускной способности воды в лотке с покрытием K_U.

Основные результаты проведенных экспериментов заключаются в следующих двух фактах. Во-первых, удалось показать отсутствие влияния масштабного фактора на скольжение жидкости (воды) в открытом лотке с супергидрофобным покрытием. Во-вторых, в принятых условиях проведения экспериментов течение воды в открытом лотке с супергидрофобным покрытием происходило с отрывом струи от боковых стенок лотка. Это происходило как при малом (~15 мл/с), так и относительно большом (~50 мл/с) расходах и всех углах наклона лотка. Отрыв струи от боковых стенок лотка происходил всегда, начиная с входа в лоток. На рис. 1,2, в качестве примера, приведены фото на выходе из лотка с покрытием и без него.

Рис. 1. Фото струи на выходе из лотка с покрытием (Q = 49,3 мл/c; α = 1,75º)

Рис. 2. Фото струи на выходе из лотка без покрытия (Q = 50,9 мл/c; α = 1,75º)

Было получено, что при углах наклона α>2º начинались пульсации траектории струи на поверхности основания лотка, т. е. траектория струи непрерывно изменялась. Это напоминало перемещение змеи на поверхности земли.

Таблица 1.

Таким образом, в отличие от потока воды в лотке без покрытия, живое сечение струи в лотке с покрытием занимало только часть площади сечения лотка, высота которого равнялась соответствующей глубине струи. В табл.1 приведены полученные значения коэффициента заполнения сечения лотка K_Zi = S_i / S_Li, где S_i – площадь живого сечения струи в соответствующем месте лотка; S_Li – соответствующая площадь сечения лотка. Величина K_Z – коэффициент заполнения сечения, осредненный по длине между створами. Как следует из таблицы, с уменьшением расхода коэффициент заполнения сечения, при прочих одинаковых условиях, снижался.

В качестве интегрального критерия для оценки эффекта скольжения воды в лотке с покрытием принят коэффициент увеличения пропускной способности K_U = K_V / K_Z, где K_V – отношение значений средних скоростей в лотке с и без покрытия, K_Z – коэффициент заполнения сечения (табл. 2).

Таблица 2.

Таким образом, при углах α ≥ 0,5º в лотке с покрытием, благодаря отрыву струи от боковых стенок, получено существенное увеличение пропускной способности воды: более, чем в три раза.

1. Экспериментально показано отсутствие влияния масштабного фактора на скольжение жидкости (воды) в открытом лотке с супергидрофобным покрытием.

2. Впервые получено, что течение воды в открытом лотке с супергидрофобным покрытием происходит с отрывом струи от боковых стенок. Благодаря этому, отмечено значительное увеличение (более чем в три раза) пропускной способности лотка с покрытием относительно лотка без него.