Page 34 - 《摩擦学学报》2021年第5期

第 5 期 董聪慧, 等: 微液滴在PDMS软基体表面的动态摩擦行为研究 623

160 度分别为1.95、2.64和3.13 mm. 因此，固液界面摩擦力
Dynamic friction force/μN 120 不同体积微液滴在弹性模量为1.41、1.26 和0.41 MPa
的增加与接触线长度的增加有关. 同时，分别测量了
140
三种软基体表面的动态接触线长度和动态摩擦力，如
100
图6所示. 结果表明，动态摩擦力随接触线长度的增加
80
而增加. 通过对摩擦力曲线进行线性拟合，通过拟合
60
的PDMS表面摩擦力分别为45.7、63.8和91.7 μN/mm，
40 曲线斜率得到微液滴在弹性模量为1.41、1.26和0.41 MPa
5 10 15 即随着基体弹性模量降低，单位长度动态摩擦力增加.
Volume/μL
因此，动态摩擦力随微液滴体积增加是接触线长度增

Fig. 5 Variation of dynamic friction force with
加和基体力学性能降低共同作用的结果.
droplet volume
图 5 不同体积微液滴在软基体表面的动态摩擦力 2.3 液滴滑动速度对摩擦性能影响
变化曲线 图7为5 μL微液滴在PDMS表面滑动时的摩擦力
随滑动速度的变化趋势. 结果表明，动态摩擦力随滑
滴体积在5~15 μL范围，对应的半径在0.76~1.46 mm区 [30]
动速度呈线性增加. Aizenberg等 研究了微液滴在润
间. 因此，重力对固液界面摩擦力的影响可以忽略，摩
滑剂表面的运动特性. 研究表明，微液滴在润滑剂表
擦力随体积的增加并不是质量增加造成的. 进一步分
面的能量耗散随着速度的增加而呈非线性增加. 微液
析发现，微液滴在PDMS表面(E=1.41 MPa)处于静态 滴表面张力使润滑剂表面形成“润湿脊”，而且“润湿
平衡和动态平衡时的接触线长度随着微液滴体积的 脊”的尺寸会随着液滴运动速度和润滑剂黏度的增加
增加而增加(见表1). 如表1所示，在静止状态时，液滴 呈非线性增加 . 这与本研究结果稍有差异. 在本研
[31]
体积为5、10和15 μL时对应的接触线长度分别为1.69、 究中，微液滴也会使PDMS变形形成“润湿脊”，“润湿
2.5和2.9 mm；在动态运行阶段，即摩擦力处于稳定阶 脊”随着速度增加发生的改变可通过前进角与后退角
段时候，液体体积为5、10和15 μL时对应的接触线长 的动态变化进行量化. 如图8所示，随着速度的增加，
前进角线性增加，后退角线性减小，接触角滞后呈线
表 1 不同体积微液滴在PDMS表面(E = 1.41 MPa)的
静态和动态接触线长度 性增加. 因此，速度对“润湿脊”的影响是线性的. 产生
Table 1 Static and dynamic contact line lengths of 这种差异的原因是润滑剂和PDMS具有不同的物理特
microdroplets on the PDMS surface (E=1.41 MPa) 性. 微液滴在润滑剂表面运动时，润滑剂会完全包裹
for different volumes
在液滴外表面，形成1层油膜. 因此，液滴在运动过程

Length of static Length of dynamic
Volume/μL 中，相对运动发生在润滑剂内部，能量耗散随速度的
contact line/mm contact line/mm
[30]
非线性增加与润滑剂的流变特性有关 . 而PDMS薄
5 1.69 1.95
10 2.35 2.64 膜不会包裹在微液滴表面，相对运动发生在微液滴与
15 2.9 3.13
PDMS界面，其动摩擦特性只与微液滴/PDMS界面行
(a) 1.41 MPa 160 (b) 1.26 MPa 280 (c) 0.41 MPa
Dynamic friction force/μN 100 Dynamic friction force/μN 120 Dynamic friction force/μN 200
120
140
240

80
100
160
80
60
1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 60 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 120 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5
Contact line length/mm Contact line length/mm Contact line length/mm

Fig. 6 Relationship between dynamic friction force and the length of the contact line on PDMS substrates with different
elastic modulus: (a) E = 1.41 MPa，(b) E = 1.26 MPa，(c) E = 0.41 MPa
图 6 微液滴在不同弹性模量的PDMS软基体表面动态摩擦力随接触线长度的变化图
(a) E = 1.41 MPa，(b) E = 1.26 MPa，(c) E = 0.41 MPa