加热表面进行防水处理对莱顿弗罗斯特（Leidenfrost）液滴的影响

《Chemical Engineering & Technology》：Effect of Water-Repellent Treatment of Heating Surface on a Leidenfrost Droplet

莱登弗罗斯特液滴在亲水表面处理后的流动行为研究表明，亲水处理使接触角增至120°，表面粗糙度略增，导致蒸汽膜提前形成，莱登弗罗斯特温度降低至140-160°C，并提升内部流速。该发现为低温液滴反应器设计提供新方法。

　　本研究探讨了在加热表面上，水滴在Leidenfrost效应下的流动行为。通过对加热表面进行水滴排斥处理，接触角从76°增加到120°，表面粗糙度也略有提升。实验结果表明，未经处理的表面在260°C时蒸发时间达到峰值，而经过处理的表面则表现出线性蒸发趋势，其Leidenfrost温度降低至140–160°C。这表明，水滴排斥处理促进了更早的蒸汽膜形成，从而提高了蒸发效率。微观观察确认了在140°C时水滴开始悬浮。粒子图像测速（PIV）分析显示，随着温度的升高，水滴内部的流动速度也在增加，并且在处理后的表面上流动速度更高。这些发现表明，水滴排斥处理可以有效降低Leidenfrost温度并增强水滴内部的流动，为低温度下的水滴反应提供了新的可能性。

近年来，微反应器系统因其高效的传质和传热性能而受到广泛关注。这类系统通常具有较大的表面积与体积比，使得热交换更加高效，温度控制更为精确，混合效果也更加显著。由于扩散速率与距离平方成反比，微反应器能够显著减少副产物的生成和反应物的消耗。此外，通过并联多个微反应器，可以实现从实验室规模到工业规模的顺利放大，从而推动工艺的广泛应用。微反应器已在聚合物合成、生物化学等多个领域得到应用，例如在微反应器中利用蜿蜒式混合通道进行氨基酸单体活化和肽合成。特别在有机反应中，如碱催化的克莱森-施密特缩合反应，微反应器被证明能够加快反应速率并显著减少副产物的形成。

在微反应器的研究基础上，水滴作为一种开放系统中的反应环境也引起了关注。水滴反应器通过将液体分散为独立的水滴，避免了封闭系统中可能发生的堵塞问题。水滴反应器的应用包括通过施加电压改变水滴的润湿性以实现混合，或在水滴中添加磁性流体并通过外部磁场控制水滴的运动。这些方法不仅提高了反应效率，还增强了对催化剂和反应物的控制能力。然而，传统的水滴反应通常需要高温环境，例如250–280°C，以确保水滴进入Leidenfrost状态。这种高温不仅增加了能耗，也限制了水滴反应器的适用范围。因此，寻找一种能够降低Leidenfrost温度的方法，对于推动水滴反应器在工业中的应用具有重要意义。

本研究的创新点在于采用水滴排斥处理技术，通过在加热表面施加疏水涂层，来降低Leidenfrost温度。实验中使用的材料为铝板和玻璃板，分别进行了疏水处理。结果显示，处理后的铝板接触角增加至120°，而未经处理的铝板接触角仅为76°。同时，处理后的铝板表面粗糙度从0.236微米增加至0.277微米，玻璃板的表面粗糙度也从0.018微米增加至0.043微米。这些变化表明，疏水涂层不仅改变了表面的润湿性，还通过微观结构的改变促进了蒸汽膜的形成，从而降低了Leidenfrost温度。

在实验中，研究人员通过观察水滴的蒸发曲线来确定Leidenfrost温度。对于未经处理的铝板，蒸发时间在260°C时达到峰值，表明此时水滴进入了Leidenfrost状态。然而，对于经过处理的铝板，蒸发曲线呈现出单调下降的趋势，且在140–160°C范围内，蒸发时间随温度的升高而持续减少。这表明，疏水处理显著降低了Leidenfrost温度，使水滴能够在较低的温度下进入Leidenfrost状态。为了进一步验证这一结论，研究人员通过观察水滴底部的颗粒运动来判断其是否悬浮。在140°C时，所有颗粒开始移动，表明此时水滴已进入Leidenfrost状态。

此外，实验还采用了粒子图像测速（PIV）技术来测量水滴内部的流动速度。结果表明，水滴内部的流动速度随着温度的升高而显著增加，且在处理后的表面上流动速度更高。例如，在100°C时，水滴表面的平均流动速度为6.64毫米/秒，而在300°C时，流动速度达到116.36毫米/秒，比100°C时快了17.5倍。这一现象可能与蒸汽膜的形成速度有关。随着温度的升高，蒸汽膜的形成更加迅速，从而促进了水滴内部的流动。而疏水处理通过增加表面粗糙度，进一步加速了蒸汽膜的形成，使得水滴在较低温度下就能表现出更快的流动速度。

本研究的实验方法主要包括以下几个步骤。首先，使用激光显微镜测量加热表面的接触角和粗糙度，以评估疏水处理的效果。接着，通过将水滴放置在不同温度的加热表面上，观察其蒸发过程并记录蒸发时间。为了更准确地测量水滴内部的流动速度，研究人员在水滴中加入了荧光标记的微粒，并使用高速摄像机和PIV技术对水滴内部的流动情况进行分析。PIV技术能够捕捉到水滴内部的流动模式，如涡旋结构，从而提供关于流体动力学行为的详细信息。实验中发现，随着温度的升高，水滴内部的流动速度显著增加，尤其是在疏水处理后的表面上，流动速度明显高于未经处理的表面。

实验结果表明，疏水处理不仅降低了Leidenfrost温度，还增强了水滴内部的流动。这一发现对于开发低能耗的水滴反应器具有重要意义。传统的Leidenfrost反应通常需要高温环境，这不仅增加了能耗，还可能对反应物和催化剂造成不利影响。而通过疏水处理，可以在较低的温度下实现水滴的悬浮和内部流动，从而降低反应所需的能量输入。此外，较低的Leidenfrost温度还可能提高反应的安全性，使得水滴反应器能够在更广泛的温度范围内运行。

本研究还探讨了疏水处理对水滴流动的影响机制。疏水涂层通过改变表面的润湿性和粗糙度，促进了蒸汽膜的形成。根据经典的润湿理论，如Wenzel和Cassie-Baxter模型，表面粗糙度可以增强表面的润湿特性：亲水表面变得更加亲水，而疏水表面则变得更加疏水。因此，疏水处理不仅提高了接触角，还通过微观结构的改变增强了蒸汽膜的形成能力。这种增强效应使得水滴能够在较低的温度下进入Leidenfrost状态，从而表现出更快的流动速度。同时，疏水处理还可能改善水滴的稳定性，减少因表面不稳定导致的流动紊乱。

在实际应用中，水滴反应器的优势在于其开放系统的设计，避免了封闭系统中可能发生的堵塞问题。此外，水滴反应器可以灵活地控制反应条件，如温度、压力和反应物浓度，从而实现更精确的反应控制。然而，为了实现大规模应用，还需要进一步优化疏水涂层的性能，以确保其在长期运行中的稳定性和耐久性。当前研究中，疏水涂层在五次使用后仍保持良好的性能，但在某些情况下，如可见的涂层脱落或表面退化时，需要及时进行重新涂覆以维持实验的连续性和一致性。

本研究的结果不仅对水滴反应器的设计具有指导意义，也为其他类型的微反应系统提供了新的思路。通过调整表面特性，可以有效控制Leidenfrost效应的发生温度，从而优化反应条件。此外，研究还发现，疏水处理可以显著提高水滴内部的流动速度，这为实现更高效的反应提供了可能。未来的研究可以进一步探索疏水处理在不同液体和不同反应条件下的适用性，以验证其在实际化学反应中的效果。同时，还需要对疏水涂层的长期稳定性进行更深入的研究，以确保其在工业环境中的可靠性和可持续性。

总的来说，本研究通过实验验证了疏水处理对Leidenfrost效应的影响，并展示了其在降低Leidenfrost温度和增强水滴流动方面的潜力。这些发现为开发低能耗、高效率的水滴反应器提供了重要的理论依据和技术支持。未来，随着对疏水材料和表面处理技术的进一步研究，水滴反应器有望在更多领域得到应用，包括精细化学品合成、生物化学反应和纳米材料制备等。此外，研究还可以拓展到其他类型的液体和反应体系，以探索更广泛的应用场景。