CN108627666B - 一种基于v型槽的液滴隐性导引方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于V型槽的液滴隐性导引方法，采用精密数控机床，在亲水基板体上制作截面形状为三角形的V型槽轨道。当液滴滴在狭长的V型槽轨道时，其遵循能量最小原理，完全渗入具有较大固液接触面积的不光滑V型槽内，当给予轨道一定的倾斜角时，即轨道所在平面与水平面呈一定夹角时，液滴在重力的作用下，于轨道较低的一端重新凝结成液滴，进而控制液滴的运动轨迹，导引方法不会导致液滴脱轨，实现液滴的隐性导引。液滴隐性导引方法对轨道类型无附加要求，对于直线轨道和曲线轨道，或折线轨道均可采用液滴隐性导引方法导引。液滴隐性导引方法操作便捷，适用范围广，受环境影响小，能有效地扩大液滴的可控类型。

Description

一种基于V型槽的液滴隐性导引方法
技术领域
本发明涉及液滴行为控制技术领域，具体地说，涉及一种基于V型槽的液滴隐性导引方法。
背景技术
近年来，随着微流体技术的发展，液滴行为调控技术成为新兴的研究热点，被广泛应用于防结冰、药物传输、自润滑诸多领域。其中，通过构造导引轨道促使液滴沿轨道运动，进而对液滴的运动路径加以控制的方法称为液滴导引方法。
目前，控制液滴导引方法有很多，中国专利CN 104345140A提出了一种“磁性液滴控制装置及磁性液滴的控制方法”，该控制方法仅局限于控制磁性液滴的运动路径，对非磁性液滴则无法导引；发明专利CN106432767A涉及了“一种用于液滴远程精确驱动的光热自润滑油凝胶的制备方法”，该制备方法将纳米颗粒与聚二甲基硅氧烷及固化剂混合加热固化，再将得到的复合材料浸泡到润滑液中溶胀，得到光热自润滑油凝胶；但是制备工艺繁琐，还需通过调节近红外激光的照射点位和方向，才能最终实现液滴的定向移动，操作复杂；发明专利CN 106053869A提出“一种基于壁面润湿性调控液滴无质量损失的导引方法”，该方法对环境要求较高，在有灰尘或风速较大的情况下容易出现脱轨现象，致使导引失效。
发明内容
为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种基于V型槽的液滴隐性导引方法；该液滴隐性导引方法通过基板体上的V型槽，将液滴逐渐吸入轨道内，在轨道内部完成液滴移动的隐性导引，导引过程简捷、稳定且液滴不会出现脱轨现象。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种基于V型槽的液滴隐性导引方法，其特征在于包括以下步骤:
步骤1.选择亲水基板，设计V型槽的尺寸，轨道路径类型为直线型或折线型轨道，或曲线型轨道的任意一种；
步骤2.利用精密数控机床，在亲水基板体上制作截面形状为三角形的V型槽轨道；
步骤3.通过高速摄像机来检测V型槽的质量，确定V型槽的精确尺寸，选取深度为0.5～4mm的轨道进行试验；
步骤4.通过调节导引试验装置，使轨道所在平面与水平面的夹角即倾斜角度的范围为20～90°，为液滴的运动提供驱使力；
步骤5.液滴在表面能的作用下，沿基板表面的预定轨道运动；根据能量最小原理，静止的液滴会使其表面能呈现最小化，液滴表面能E为气液界面处的表面能Egl与固液接触面的表面能Esl之和，即
Figure BDA0001660424620000021
式中,γ为气液间表面张力，θ为固体壁面的本征接触角，S0为气液接触面积，S1为固液接触面积，液滴具有较大固液接触面积时，其表面能较小；
步骤6.重复上述步骤，观察V型槽轨道的隐性导引试验效果；当液滴滴在狭长的V型槽轨道时，其遵循能量最小原理，完全渗入具有较大固液接触面积的不光滑V型槽内，当给予轨道一定的倾斜角时，即轨道所在平面与水平面呈一定夹角时，液滴在重力的作用下，在V型槽轨道较低端重新凝结成液滴，进而控制液滴的运动轨迹，实现液滴的隐性导引。
有益效果
本发明提出的一种基于V型槽的液滴隐性导引方法,采用精密数控机床，在基板体上制作截面形状为三角形的V型槽轨道。当液滴滴在狭长的V型槽轨道时，其遵循能量最小原理，完全渗入具有较大固液接触面积的不光滑V型槽内，当给予轨道一定的倾斜角时，即轨道所在平面与水平面呈一定夹角时，液滴在重力的作用下，在轨道较低的一端重新凝结成液滴，该导引方法不会导致液滴脱轨，进而控制液滴的运动轨迹，实现液滴的隐性导引。
本发明液滴隐性导引方法对轨道类型无附加要求，对于直线轨道，或曲线轨道，或折线轨道均可采用液滴隐性导引方法导引。
本发明液滴隐性导引方法操作便捷，适用范围广，受环境影响小，能有效地扩大液滴的可控种类。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明一种基于V型槽的液滴隐性导引方法作进一步详细说明。
图1为本发明中实验装置的倾斜角角度变量示意图。
图2为本发明中实验装置的偏角角度变量示意图。
图3为液滴在直线型轨道上导引示意图。
图4为液滴在折线型轨道上导引示意图。
图5为液滴在曲线型轨道上导引示意图。
图6为液滴导引所需时间与轨道槽深度曲线图。
图中:
1.亲水基板 2.V型槽 3.液滴 4.V型槽内液膜
具体实施方法
本实施例是一种基于V型槽的液滴隐性导引方法。
参阅图1～图4,本实施例基于V型槽的液滴隐性导引方法,
应用基于V型槽的液滴隐性导引方法对在某种材料上V型槽轨道进行实验，具体步骤为:
第一步.选择选亲水基板1，设计V型槽的尺寸,轨道路径类型为直线型或折线型轨道，或曲线型轨道的任意一种；
第二步.采用精密数控机床在亲水基板1上制作截面形状为三角形的V型槽轨道；
第三步.通过高速摄像机来检测V型槽的质量，确定V型槽的精确尺寸，选取深度为0.5～4mm的轨道进行试验；
第四步.通过调节导引试验装置，使轨道所在平面与水平面的夹角即倾斜角度的范围为20～90°，为液滴3的运动提供驱动力；
第五步.液滴在表面能的作用下，沿基板底表面的预定轨道运动；根据能量最小原理，静止的液滴会使其表面能呈现最小化，液滴表面能E为气液界面处的表面能Egl与固液接触面的表面能Esl之和，即
Figure BDA0001660424620000031
式中,γ为气液间表面张力，θ为固体壁面的本征接触角，S0为气液接触面积，S1为固液接触面积，液滴具有较大固液接触面积时，其表面能较小；
第六步.观察V型槽2轨道的隐性导引试验效果；当液滴滴在狭长的轨道时，其遵循能量最小原理，完全渗入具有较大固液接触面积的不光滑V型槽2内，当给予轨道一定的倾斜角时，即轨道所在平面与水平面呈一定夹角时，液滴将在重力的作用下，在轨道较低的一端重新凝结成液滴，进而控制液滴的运动轨迹，实现液滴的隐性导引。
实施例一
(1)选定亲水基板，本实施例中基板材质为亚克力板，设计V型槽的宽度为0.4mm，深度为4mm，路径长度为180mm的直线型轨道。
(2)利用精密数控机床在基板体上雕刻V型槽轨道。
(3)通过高速摄像机来检测V型槽的质量，确定V型槽的精确尺寸，选取宽度为0.4mm，深度为4mm的合格V型槽轨道进行试验。
(4)在轨道上滴入体积为63μL水滴，调节导引装置的倾斜角α为30°，与重力在倾斜平面上的分量方向的夹角即偏角β为10°，使液滴在轨道内运动。
实验中，液滴会缓慢的全部渗入V型槽轨道中，并在V型槽轨道形成V型槽内液膜，在较低的轨道一端重新凝结成液滴，在轨道内完成稳定导引，整个隐性导引共历时2.6s。
实施例二
(1)确定亲水基板材质,本实施例中基板材质为亚克力板，设计V型槽的宽度为0.4mm，深度分别为4.3mm、3.6mm、3.0mm、2.0mm，以及路径长度为180mm的W形的折线轨道。
(2)利用精密数控机床在基板体上雕刻V型槽轨道。
(3)通过高速摄像机来检测V型槽的质量，确定V型槽的精确尺寸，选取符合上述设计要求的V型槽轨道进行试验。
(4)在四条轨道上分别滴入体积为63μL水滴，调节导引装置的倾斜角α为30°，偏角β为0°，使液滴在轨道内运动。
实验中，液滴会缓慢的全部渗入V型槽轨道中，并在轨道较低的一端重新凝结成液滴。由于沟槽的深度不同，水滴导引速度不同。当导引历时36s时，宽为4.3mm的W形的折线轨道上端液滴完全消失，完成了导引过程，而其它宽度的轨道还未完成整个导引。并将液滴在不同宽度的W形的折线轨道导引所需的时间进行统计，显示随着沟槽深度的增大，导引所需时间逐渐减小。
实施例三
(1)选定亲水基板，本实施例中基板材质为亚克力板，设计确定V型槽的宽度为0.4mm，深度分别为4.3mm、3.6mm、3.0mm、2.0mm，以及路径长度为180mm的S形的曲线型轨道。
(2)利用精密数控机床在基板体上雕刻V型槽。
(3)通过高速摄像机来检测V型槽的质量，确定V型槽的精确尺寸，选取符合设计要求的V型槽轨道进行试验。
(4)在四条轨道上分别滴入体积为63μL水滴，调节导引装置的倾斜角α为30°，偏角β为0°，使液滴在轨道内运动。
实验中，液滴会缓慢的全部渗入V型槽轨道中，并在较低的轨道一端重新凝结成液滴。由于沟槽的深度不同，水滴导引速度不同。当导引历时63s时，宽度为4.3mm的S形的折线轨道上端液滴完全消失，完成了导引过程，而其它宽度的轨道还未完成整个导引。并将液滴在不同宽度的S形的折线轨道导引所需的时间进行了统计，发现随着沟槽深度的增大，导引所需时间逐渐减小。

Claims (1)

1.一种基于V型槽的液滴隐性导引方法，其特征在于包括以下步骤:
步骤1.选择亲水基板，设计V型槽的尺寸，轨道路径类型为直线型或折线型轨道，或曲线型轨道的任意一种；
步骤2.利用精密数控机床，在亲水基板体上制作截面形状为三角形的V型槽轨道；
步骤3.通过高速摄像机来检测V型槽的质量，确定V型槽的精确尺寸，选取深度为0.5～4mm的轨道进行试验；
步骤4.通过调节导引试验装置，使轨道所在平面与水平面的夹角即倾斜角度的范围为20～90°，为液滴的运动提供驱使力；
步骤5.液滴在表面能的作用下，沿基板表面的预定轨道运动；根据能量最小原理，静止的液滴会使其表面能呈现最小化，液滴表面能E为气液界面处的表面能Egl与固液接触面的表面能Esl之和，即
Figure FDA0001660424610000011
式中,γ为气液间表面张力，θ为固体壁面的本征接触角，S0为气液接触面积，S1为固液接触面积，液滴具有较大固液接触面积时，其表面能较小；
步骤6.重复上述步骤，观察V型槽轨道的隐性导引试验效果；当液滴滴在狭长的V型槽轨道时，其遵循能量最小原理，完全渗入具有较大固液接触面积的不光滑V型槽内，当给予轨道一定的倾斜角时，即轨道所在平面与水平面呈一定夹角时，液滴在重力的作用下，在V型槽轨道较低端重新凝结成液滴，进而控制液滴的运动轨迹，实现液滴的隐性导引。
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