葉學(xué)民，戴宇晴，李春曦

（華北電力大學(xué)電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與控制教育部重點實驗室，河北 保定 071003）

進(jìn)展與述評

電場對液滴界面張力及動力學(xué)特征影響的研究進(jìn)展

葉學(xué)民，戴宇晴，李春曦

（華北電力大學(xué)電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與控制教育部重點實驗室，河北 保定 071003）

電場是改變液滴界面張力的重要因素，施加不同類型的電場對驅(qū)動微流體運動、變形、分裂及合并等行為起著至關(guān)重要的作用，該技術(shù)廣泛用于微液滴操控、電子顯示和原油脫水等領(lǐng)域，并具有潛在的應(yīng)用前景。文中綜述了電場作用下微液滴氣-液、氣-固與液-液交界面張力的變化，分析了與界面張力對微液滴運動學(xué)行為影響相關(guān)的實驗現(xiàn)象及模擬成果；指出電場作用下氣-液交界面處表面張力的變化趨勢，因?qū)嶒灱澳M方法不同目前仍存在較大爭議；探討了直流電和交流電對電潤濕過程液滴鋪展的不同影響和液滴形態(tài)振蕩特征；分析了直流電、交流電及電脈沖對電破乳過程中液滴運動行為的重要作用?？偨Y(jié)了電場對液滴界面張力影響研究中存在的問題，并提出了值得進(jìn)一步深入研究的可能方向。

電場；界面張力；電潤濕；電破乳

微流控技術(shù)廣泛應(yīng)用于微電子、微機(jī)械、生物工程和納米技術(shù)領(lǐng)域，液滴運動的控制方法就是其中的一個重要方面，而界面張力是影響、甚至是控制微納尺寸下液滴鋪展與變形運動的關(guān)鍵因素。當(dāng)液滴處于外加電場中，電介質(zhì)液體所含帶電粒子在交界面處的聚集或排斥作用在宏觀上改變了其界面張力，進(jìn)而影響微液滴的運動、變形、分裂及聚并等行為。因此，深入研究電場對液滴界面張力的影響，對于揭示電場作用下液滴的動力學(xué)行為、促進(jìn)電潤濕與電破乳等技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

未施加電場情形下，氣、液、固三相之間的界面張力決定液滴形態(tài)。當(dāng)液滴處于平衡狀態(tài)時，各界面張力在水平方向上的合力為零，如圖 1，接觸角與界面張力描述滿足Young方程［1］，如式（1）。

式中，θY為接觸角；γgl、γls和γgs分別為氣-液、固-液、氣-固界面間的界面張力。施加電場后，液滴內(nèi)各粒子受電場影響產(chǎn)生運動，從而改變界面張力；且施加電場方式或類型不同時，受到影響而發(fā)生改變的界面張力可能是氣-液間的，也可能是固-液間的，還可能是氣-固界面間的，這將呈現(xiàn)出不同的液滴運動特征。因電場作用導(dǎo)致的氣-液界面張力變化將改變液滴鋪展現(xiàn)象，導(dǎo)致的固-液界面張力變化將改變電潤濕現(xiàn)象，導(dǎo)致的液-液界面張力變化將改變電破乳現(xiàn)象。下面分別從上述3個方面進(jìn)行介紹。

圖1　液滴接觸線受力示意圖

1　電場對氣-液表面張力的影響

氣-液界面間的表面張力是液體分子相互作用的宏觀表現(xiàn)［2］。研究電場作用下表面張力對微流體鋪展（spreading）特性的影響，有助于獲得對電場中微流體鋪展特性的深入理解。

目前，關(guān)于電場對氣-液界面處表面張力的影響尚沒有統(tǒng)一結(jié)論，多數(shù)研究發(fā)現(xiàn)電場作用下的氣液表面張力隨電場強(qiáng)度增大而減小，但也有不少研究指出電場可促使表面張力增大，除此還有研究認(rèn)為電場對表面張力的大小并無影響，主要研究及其結(jié)論如表1所示。

表1　電場對氣液表面張力的影響

早在1962年，SCHMID等［3］通過觀察了漂浮于氣水交界面上的云母片受到施加于垂直液體表面方向的靜電場時產(chǎn)生的運動距離，以此來研究電場對表面張力的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電場強(qiáng)度達(dá)到 6.7kV/cm時，可導(dǎo)致NaCl溶液的表面張力降低；但DAMM［4］對SCHMID的結(jié)果提出質(zhì)疑，認(rèn)為NaCl溶液表面張力的改變應(yīng)歸因于電極附近雜散電場（stray field）的影響。HAYES［5］在隨后實驗中，采用波紋方法測量了平行極板間電場中的氣液界面處的表面張力，認(rèn)為在實驗誤差范圍內(nèi)（因?qū)嶒灢淮_定性很大，實驗結(jié)果的可信程度有限），場強(qiáng)達(dá)10.4kV/cm的電場對純水和10% NaCl溶液的表面張力并無影響；另外，HAYES基于熱力學(xué)理論，推斷液體表面和內(nèi)部的壓差促使表面張力增大，且與電場強(qiáng)度平方成比例，如式（2）。

式中，K為液體介電常數(shù)；ε0為氣體介電常數(shù)；E為電場強(qiáng)度。但HAYES還指出，該變化基本可以忽略，這是因為10kV/cm的電場僅使水的表面張力產(chǎn)生約10-5dyn/cm的變化，這與SCHMID的結(jié)論相悖。JIANG等［6］采用表面毛細(xì)波傳播技術(shù)檢測了電場對純水、NaCl溶液和十二烷基硫酸鈉（SDS）溶液表面張力的影響，該實驗在技術(shù)上解決了測量表面張力對交界面的干涉，可在非侵入情形下產(chǎn)生和檢測電毛細(xì)管表面波［7］；實驗發(fā)現(xiàn)，對于強(qiáng)度為10kV/cm的電場作用，上述各溶液的表面張力在實驗精度（約 0.1dyn/cm）內(nèi)并未檢測到變化。LIGGIERI等［8］也認(rèn)為在表面無自由電荷并處于靜電場中時，其表面張力的變化與受磁場作用時的變化相似，場強(qiáng)較小的影響極小，只有極大電場場強(qiáng)才能在實驗中檢測到表面張力的變化。上述實驗結(jié)果表明，采用實驗直接測量表面張力研究電場對溶液表面張力的影響，受實驗精度和實驗設(shè)計等原因的限制，目前還存在諸多問題。

相對于采用實驗直接測量電場對表面張力的影響，間接測量方法中取得了許多積極成果，并涌現(xiàn)出多種測量方法，如液滴重量法、振蕩射流法、軸對稱液滴形狀分析法等。WATANABE等［9］采用液滴重量法測量了水油界面張力，通過向油中添加表面活性劑以提高其導(dǎo)電性，該研究發(fā)現(xiàn)增大電場強(qiáng)度可降低表面張力，而改變電場極性并不影響表面張力。采用同樣方法，MORIMOTO和SAHEKI［10］測量了真空中油滴的表面張力，表明電場作用下的油滴質(zhì)量隨電場強(qiáng)度增大而減小，并給出了表面張力與電荷間的關(guān)系，如式（3）。

式中，γ0為未帶電時的表面張力；Q為液滴帶電量；Φ為液滴表面電勢；a為液滴半徑。他們認(rèn)為電場力和表面電荷促使表面張力降低是產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因。SATO等［11］通過振蕩射流法，向平行電極板中噴射液滴進(jìn)而測量表面張力變化，基于對多種液體的實驗比較，發(fā)現(xiàn)除液體本身物理性質(zhì)外，外加電場對其表面張力大小也有影響，當(dāng)電導(dǎo)率＞10-2S/m時，表面張力與電壓平方成反比關(guān)系［12］（圖2），如式（4）。

式中，σ為表面電荷密度。他們認(rèn)為表面張力降低的機(jī)理源自液體表面存在的表面電荷。上述實驗結(jié)果均表明氣液界面上的表面張力隨電場強(qiáng)度增大而減小。

然而，采用軸對稱液滴形狀分析法的 BATENI等［13］則得到與SATO等［11］相反的結(jié)果，認(rèn)為電場可促使液滴表面張力增大；在其實驗中，觀察到極性醇類液滴在電場中接觸角將增大，而非極性液體的接觸角并未觀測到變化；又因表面張力變化導(dǎo)致接觸角改變，因此可通過觀測接觸角變化得到表面張力的變化趨勢。在此基礎(chǔ)上，BATENI等［14］將研究推廣至有重力影響的情形，通過與無重力環(huán)境結(jié)果進(jìn)行比較，未發(fā)現(xiàn)重力對表面張力的影響；通過對無重力環(huán)境下蒸餾水液滴在電場中的形狀變化測定表面張力，表明表面張力隨電場增強(qiáng)而增大，且與電場強(qiáng)度的二次方成比例，如式（5）。

式中，b為液頂處曲率；ΔP0為液滴表面各處與液頂處壓差。除此之外，SANFELD和WILSON［15］應(yīng)用平均場理論中的化學(xué)勢擴(kuò)展關(guān)系式，指出施加外加電場可促使表面張力增大；通過狀態(tài)方程和介電常數(shù)的Debye關(guān)系，指出外加電場可使氣液交界面化學(xué)性質(zhì)更加穩(wěn)定，偶極矩越大，表面張力增加越明顯。

圖2　不同液體在外加電場3ms時表面張力降低量隨電壓的變化［11］

總之，目前所得電場對氣-液表面張力變化的影響尚未統(tǒng)一。直接測量中受實驗設(shè)備精度及實驗設(shè)計的局限，致使未檢測表面張力的變化；而采用間接測量方法所得表面張力變化也存在較大差異，基于重量間接測量得到的實驗結(jié)果普遍認(rèn)為表面張力隨電壓增大而減小，而基于接觸角觀測方法所得結(jié)果則與其相反，即認(rèn)為表面張力隨電壓提高而增大。已有研究表明，電場對氣液表面張力的影響主要因電場促使液體表面電荷分布狀態(tài)發(fā)生改變所致，另外，電場對表面張力的影響程度還與液體自身極性有關(guān)。

2　介電潤濕

電潤濕（electrowetting）分為連續(xù)流體的電潤濕和介電潤濕，均是通過施加在固體電極與導(dǎo)電液體間的電場來調(diào)節(jié)固-液間界面張力，進(jìn)而改變液滴在基板上的潤濕性，即改變接觸角，從而實現(xiàn)固體表面上的液滴驅(qū)動或操縱［16-18］。電潤濕技術(shù)已在諸如驅(qū)動液滴運動、分裂、合并等行為在微流體操控［19-21］、微變焦透鏡［22-24］、光學(xué)和流體開關(guān)及電子顯示等方面有著廣泛的應(yīng)用［25-26］。

2.1 介電潤濕機(jī)理

介電潤濕（electrowetting-on-dielectric，EWOD）源于1875年法國科學(xué)家Lippmann發(fā)現(xiàn)的電潤濕現(xiàn)象，Lippmann在汞電極和電解液之間施加電場，觀察到電解液與汞電極交界面的潤濕特性發(fā)生顯著改變，由此提出了著名的 Young-Lippmann方程（簡稱Y-L方程），如式（5）。

式中，θew為電潤濕接觸角；θY為施加電壓前接觸角；V為施加電壓；Vpzc為零電荷電位；cH為單位面積的雙電層電容。

電潤濕基本結(jié)構(gòu)如圖3（a）所示，在未施加電壓時，因電離、吸附或者離子交換等化學(xué)作用在金屬電極-電解液交界面處聚集等量異種電荷，形成雙電層（electrical double layer，EDL）。當(dāng)施加電壓時［圖3（b）］，電場作用使EDL電荷密度增加，由于同性電荷間的排斥作用，使微液滴鋪展所需能量減少，導(dǎo)致固-液交界面界面張力減小，從而使固-液接觸面增大，三相接觸角變小，與宏觀上的“潤濕”現(xiàn)象相類似。但由于EDL極薄、僅為5～100?（1?=0.1nm），對電壓承受能力較弱，電荷易越過EDL使電解液發(fā)生水解，因此電潤濕現(xiàn)象只能發(fā)生于金屬電極與導(dǎo)電液體間，而不能直接被用來驅(qū)動微液滴。

為改善電潤濕效果的不足，NANAYAKKARA等［27］提出了在固體基板上涂布疏水介電聚合物形成介電層，介電層隔離了電解質(zhì)溶液與金屬電極，既避免電解質(zhì)溶液與電極的直接接觸，又可保護(hù)電極不被電解而腐蝕，大大提高了材料選擇和器件設(shè)計上的靈活性。這種在介電層上的電潤濕被稱為介電潤濕（EWOD），目前所提及的電潤濕一般即指介電潤濕。介電潤濕結(jié)構(gòu)如圖4所示。在未施加電壓情形下，由于介電層隔離了電解質(zhì)溶液與金屬電極，固液交界面基本沒有電荷積累，因而呈現(xiàn)疏水性，如圖4中虛線所示。當(dāng)施加電壓后，介電層由于極化作用形成兩個雙電層，由于電荷在微液滴與介電層界面的積累，同性電荷發(fā)生排斥作用，降低界面自由能，致使固液界面界面張力降低，接觸角減小，驅(qū)動液滴向外鋪展，如圖4中實線所示。微液滴與介電層接觸面由原本的疏水性變?yōu)橛H水性，潤濕性增強(qiáng)。

圖3　電潤濕機(jī)理

圖4　介電潤濕鋪展機(jī)理

2.2 直流電對電潤濕的影響

介電潤濕研究在近年引起廣泛關(guān)注。POLLACK等［19］提出了EWOD雙極板結(jié)構(gòu)微驅(qū)動器，實現(xiàn)了微升級液滴的快速輸運［28］，并在實驗基礎(chǔ)上擴(kuò)展了微液滴的操控方式，實現(xiàn)了低于60V電壓下的液滴的生成、分裂與合并；實驗發(fā)現(xiàn)液滴輸運過程中驅(qū)動器尺寸具有“縮放效應(yīng)”，即在相同電壓下等比例縮小電極邊長和極板間距，液滴的輸運速度基本不變。SONG等［29］通過深入研究 EWOD微驅(qū)動器的“縮放效應(yīng)”，發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)，同比縮小電極寬度和極板間距不改變微液滴的穩(wěn)定驅(qū)動所需的臨界電壓。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對采用不同實驗材料和結(jié)構(gòu)情形下的介電潤濕現(xiàn)象展開了研究。CHO等［20］運用數(shù)字微流體結(jié)構(gòu)電路系統(tǒng)對液滴進(jìn)行產(chǎn)生、輸運、分裂與合并，發(fā)現(xiàn)上下極板間距越小越有利液滴分裂，液滴的生成和分裂操作相對于其合并和輸運過程較難實現(xiàn)。曾雪鋒等［30］分析了介質(zhì)層材料的介電常數(shù)對接觸角變化的影響，提出通過采用高介電常數(shù)和高擊穿場強(qiáng)的材料、減小介質(zhì)層厚度、優(yōu)化多層復(fù)合介質(zhì)薄膜厚度，以增大介質(zhì)薄膜的總電容，從而降低器件的驅(qū)動電壓，擴(kuò)大液體和固體的接觸角變化范圍；以 Si3N4薄膜為介質(zhì)層，以碳氟聚合物薄膜為疏水層，在雙極板結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)了硅油環(huán)境中去離子水液滴的生成，是國內(nèi)首次報道EWOD微液滴生成器件，但由于其在介質(zhì)膜制造過程的缺陷不可避免地引入雜質(zhì)，使得器件容易被擊穿，重復(fù)性并不高［31］。岳瑞峰等［32］通過優(yōu)化介質(zhì)材料，提高了器件抗擊穿性能。RAJABI和DOLATABADI［33］研究了單極板結(jié)構(gòu)微液滴的快速輸運特征，測量了液滴瞬時速度曲線，并能在一定位移內(nèi)穩(wěn)定驅(qū)動微液滴。

電潤濕的早期研究主要集中在液滴電潤濕的靜態(tài)特性，即施加電壓后液滴最終靜止后的靜態(tài)接觸角和所施加電壓間的關(guān)系。對電潤濕液滴動力學(xué)的數(shù)值模擬研究大多采用 Young-Lippaman方程計算施加電壓后的接觸角，以此作為壁面的潤濕特性來考慮電潤濕的作用［34］。但就電潤濕物理本質(zhì)而言，其原因為三相接觸線上的電場作用，而非對固體表面能的改變。因此對于電潤濕的運動研究需考慮動態(tài)接觸角，才能得到與實際結(jié)果相符的界面張力。為此，洪芳軍和鄭平［35］在考慮動態(tài)接觸角條件下，模擬了液滴在介質(zhì)上電潤濕過程的動力學(xué)行為，表明電潤濕液滴在類似阻尼振蕩的過程中逐漸停止運動，并出現(xiàn)了“過度潤濕”現(xiàn)象（如圖 5）；而且液滴運動時的動態(tài)接觸角明顯偏離靜態(tài)平衡接觸角，表明在電潤濕液滴動力學(xué)數(shù)學(xué)模型中考慮動態(tài)接觸角的必要性。電潤濕研究還呈現(xiàn)與多學(xué)科交叉的特點，YU等［36］在絕緣介質(zhì)與電極間涂布光導(dǎo)材料得到光電潤濕芯片，并通過實驗證明光照處光阻降低，該處微液滴接觸角減小，促使產(chǎn)生了微液滴跟隨光源移動這一現(xiàn)象。

圖5　動態(tài)接觸角隨時間的變化［36］

2.3 交流電潤濕的影響

除直流電場對電潤濕影響外，對交流電影響的研究也取得許多成果。MUGELE等［37］在頻率為20～100Hz范圍內(nèi)研究了固著液滴的周期性振蕩，發(fā)現(xiàn)液滴振蕩有助于液體內(nèi)部混合增強(qiáng)。MIRAGHAIE等［38］指出交流頻率在30～300Hz時，固著液滴內(nèi)部的混合明顯提高，其推斷混合增強(qiáng)的可能原因是由液滴界面的形態(tài)振蕩引起。SEN和KIM［39］采用共面電極結(jié)構(gòu)，實驗研究了空氣環(huán)境中液滴體積及電源頻率對振蕩行為的影響；雖然觀察到共振現(xiàn)象，但由于實驗頻率段較短，并未給出頻率和共振現(xiàn)象的關(guān)系。KO等［40］采用針-平面電極結(jié)構(gòu)實驗觀測了空氣中的液滴內(nèi)部存在兩種流動方式，如圖 6（a）10Hz～15kHz的低頻流動和圖 6（b）35～256kHz的高頻流動。

圖6　交流電場中液滴內(nèi)部流動［41］

JUNG等［41］也采用針-平面電極研究了交流電引發(fā)的液滴振蕩，發(fā)現(xiàn)在特定頻率時液滴發(fā)生共振現(xiàn)象。此外，MUGELE等［42］采用了針-平面電極方法分析了油中液滴的運動、振蕩及混合特征，指出在液滴接觸線前進(jìn)及后退過程中均會產(chǎn)生“黏滯”效果，促使液滴內(nèi)部流動發(fā)生紊亂進(jìn)而促進(jìn)液滴內(nèi)的混合。SEN和 KIM［39］則在實驗中采用了共面電極研究了空氣中液滴體積與頻率對液滴振蕩行為的影響，也觀察到了共振現(xiàn)象。蔣冬冬等［43］在實驗中注意到相鄰的共振模態(tài)間存在一臨界頻率，該頻率下液滴振蕩對稱，大于該頻率液滴的振蕩則不對稱，而在小于該臨界頻率時，液滴接觸線在延展最大時，液瓣位置因液滴收縮和延展呈現(xiàn)周期性交替，如圖7所示。

圖7　電壓100V時不同頻率的振蕩行為［43］

3　電破乳

電破乳（electric emulsification）技術(shù)是通過對原油乳狀液施加電場、促使原油乳狀液中的小液滴聚結(jié)成為大液滴后沉降，即通過電場改變液-液界面張力，實現(xiàn)油水分離［44-48］的方法，以其高效節(jié)能、環(huán)保性能優(yōu)越的優(yōu)點廣泛應(yīng)用于油田原油破乳，對于提高原油品質(zhì)有著極其重要的作用。

3.1 直流電對電破乳的影響

單液滴在電場中的變形、分裂、聚結(jié)、震蕩等運動特性對電破乳技術(shù)具有重要影響。早期對液滴運動變形的研究主要集中在直流電場和宏觀效果方面。在直流電場中，由于電場方向固定，帶電乳狀液液滴僅可向與自身所帶電荷相反的電極運動，在電極附近液滴集聚并相互擠壓，克服液滴間的斥力，聚集并進(jìn)一步破裂、最終實現(xiàn)破乳。EOW 等［49］分析了直流電場強(qiáng)度與界面張力及液滴直徑等因素對液滴變形的影響。KAMIYA和HORIE［50］開展了在電場作用下單晶硅基底上含有表面活性劑溶液中的油滴鋪展特性研究，發(fā)現(xiàn)表面活性劑對油水和固水界面的影響程度相似，在不含表面活性劑情形下，未觀測到接觸角變化，即其界面張力未發(fā)生改變。張軍和何宏舟［51］模擬了高壓直流靜電破乳過程中離散液滴的運動，比較了靜電作用時間和電壓對液滴濃度的影響。他們注意到提高施加電壓要比單純延長靜電作用時間的破乳效果更好；大液滴運動速度更快，因此離散相液滴直徑越大，破乳效率更高。

研究表明，影響直流電電破乳的主要因素包括電場強(qiáng)度、表面活性劑的添加及液滴直徑；破乳過程中協(xié)調(diào)好上述因素間的關(guān)系可獲得更經(jīng)濟(jì)和高效的破乳效果，但直流電破乳與交流電破乳在實際應(yīng)用中相比局限性更大。

3.2 交流電對電破乳的影響

交流電破乳機(jī)理則與直流電破乳機(jī)理不同，由于交流電場中電壓方向周期性改變，致使液滴帶電性隨之發(fā)生周期性變化，液滴中極性表面活性劑分子也隨電場變化而發(fā)生重排，這些作用促使液滴乳化膜薄化，沿電場方向發(fā)生破裂和聚集，最終實現(xiàn)破乳過程。楊東海等［47］利用顯微高速攝像系統(tǒng)結(jié)合圖像處理技術(shù)，獲得了高壓交流電場作用下的點液滴變形特征，指出交流電場中液滴變形度主要受電場強(qiáng)度、界面張力、電場頻率和液滴直徑的影響，油的黏度對液滴變形度無明顯影響。楊東海等［52］還研究了高壓交流電場作用下水滴在油中的振蕩特性，如圖8所示，發(fā)現(xiàn)交流電場作用下液滴變形度呈周期性變化，且變形度變化頻率是電場變化頻率的2倍；電場頻率越大，油品黏度越高，界面張力越低，液滴的伸縮變形幅度越??；電場強(qiáng)度和直徑對液滴伸縮變形幅度的影響不明顯。趙雪峰等［53］分析了高壓交流電場中液滴破裂的臨界參數(shù)及其影響因素，指出液滴在電場中的臨界電場強(qiáng)度與直徑、界面張力和礦化度等有關(guān)，臨界電場強(qiáng)度隨液滴直徑增大、界面張力減小與礦化度增大而減小。

除實驗研究外，還有許多研究采用數(shù)值模擬方法分析電破乳行為。危衛(wèi)等［54］基于VOF（volume-of-fluid）方法，在 Navier-Stokes方程中添加電場力作為源項，采用流場與電場雙向耦合的數(shù)值方法，研究了外加均勻電場和非均勻電場作用下，中性漏電液滴和帶電液滴的變形運動及其力學(xué)行為；結(jié)果表明，均勻電場下，中性漏電液滴內(nèi)部形成穩(wěn)定的回轉(zhuǎn)運動，液滴不會發(fā)生宏觀運動；對于存在凈電荷的液滴，受庫侖力作用，液滴不僅發(fā)生變形，而且也會沿電場線方向運動；非均勻電場下，中性漏電液滴與帶電液滴都會沿電場線運動，并發(fā)生不同的變形。白莉等［55］采用光滑粒子流體動力學(xué)方法的研究表明，電場強(qiáng)度越大，液滴變形速度越快；但場強(qiáng)過高將導(dǎo)致液滴破裂，直徑較小的液滴及比較大的液滴變形困難。張軍等［56］采用耗散粒子動力學(xué)方法建立了電場中的近似液滴粒子力學(xué)模型，模擬了兩相不相溶液體中的液滴變形特性。結(jié)果顯示，場強(qiáng)較小時，液滴變形度隨時間呈現(xiàn)振蕩狀態(tài)，變形度不隨時間繼續(xù)增大；場強(qiáng)較大時，液滴變形幅度增大，振蕩頻率變慢；當(dāng)外加場強(qiáng)增大到一定程度時，液滴變形度不再振蕩，而是隨時間急劇增大，以至液滴最終破碎，且外加場強(qiáng)越大，液滴破碎所需的時間也越短。梁猛等［57］應(yīng)用Cahn-Hilliard方程的相場方法，建立了在勻強(qiáng)電場作用下液滴的變形和破裂行為模型。模擬表明，電場強(qiáng)度越強(qiáng)，液滴直徑越大，界面張力越小，液滴變形量越顯著。分析了液滴兩種破裂方式：液滴從中間破裂成兩個小液滴和兩端處發(fā)生破裂并分裂成3部分，如圖9，其破裂影響主要取決于連續(xù)相和分散相物性條件。

圖8　高壓交流電場液滴隨時間振蕩特性［52］

圖9　液滴破裂的不同方式［57］

陳慶國等［58］采用Cahn-Hilliard方程的相場方法建立了非均勻電場中液滴仿真模型，利用小型脫水系統(tǒng)開展了乳化液脫水實驗，通過高速攝像機(jī)觀察了對乳化液中液滴的運動行為。結(jié)果表明，在非均勻電場中，液滴表面的極化電荷分布不均，由液滴中部向兩端逐漸增大，在靠近電場集中方向處的電荷密度和Maxwell應(yīng)力最大；在一定范圍內(nèi)增大電場強(qiáng)度、電場非均勻系數(shù)或液滴直徑，均可增大液滴形變量，并提高液滴向電場集中區(qū)域的移動速度以及液滴間的聚結(jié)速度；電場強(qiáng)度、界面張力、電場頻率及液滴直徑對液滴變形和振蕩起主要作用。

交流電破乳的研究表明：電場強(qiáng)度、界面張力、電場頻率和液滴直徑是影響液滴變形行為的主要因素；目前，對單一影響因素的研究比較詳盡，然而實際上各影響因素間存在著交互作用，而其交互作用對電破乳的影響有待于進(jìn)一步深入研究。

3.3 脈沖破乳

相對于靜電破乳，高頻脈沖電破乳具有能耗小、效率高等顯著優(yōu)勢。孫治謙等［59］在常規(guī)電脫水的電壓輸出波形上疊加了高頻脈沖信號進(jìn)行了高壓高頻脈沖，在理論分析基礎(chǔ)上進(jìn)行了顯微實驗，全面考察了高壓高頻脈沖電場強(qiáng)度、頻率、占空比對水滴極化變形的影響。指出隨電場強(qiáng)度增大，水滴變形度近似呈拋物線形增長；隨占空比提高，水滴變形度隨之增加；但其主要影響因素為電場強(qiáng)度、占空比和電場頻率。其研究發(fā)現(xiàn)，高壓高頻脈沖電場作用下，各電場參數(shù)間的交互作用對水滴極化變形的影響不可忽略。上述研究成果為高壓高頻脈沖靜電破乳機(jī)理的深入探討奠定了基礎(chǔ)。

高壓高頻脈沖電破乳是近年來新興的破乳方式，對其研究目前尚不全面。不僅應(yīng)對各影響因素間的交互作用繼續(xù)完善，還應(yīng)考慮在實際生產(chǎn)中的難以避免的雜質(zhì)及工程時耗等因素。

4　總結(jié)與展望

目前，電場作用下氣-液交界面處表面張力變化的實驗結(jié)果仍存在顯著差異，直接測量中難以避免的誤差及儀器精度等也使實驗結(jié)果與理論分析存在一定差異；而采用間接測量法得到表面張力變化結(jié)果也有較大差異。電場對介電層-電解液交界面界面張力的影響改變了介電層的潤濕性，進(jìn)而形成介電潤濕；近年來的研究主要致力于電壓、電極尺寸及交流電頻率等因素對介電潤濕的運動、變形等行為的影響。對于電破乳的研究則集中在電場強(qiáng)度、界面張力、電場頻率及液滴直徑等因素對其變形和振蕩等行為的影響。

雖然目前已有大量研究致力于揭示電場對不同界面張力變化的影響以及對微流體鋪展、變形等特征的影響，但仍有以下問題值得進(jìn)一步討論。

（1）微納尺度下液滴鋪展、變形等行為中微觀粒子的極性及電解質(zhì)濃度對溶液內(nèi)粒子分布具有重要作用，因此有必要開展粒子極性、電解質(zhì)濃度等溶液特性對電場中表面張力變化的影響。

（2）隨液滴鋪展的發(fā)展，接觸角不斷改變，在電潤濕模擬過程中應(yīng)考慮時間與電壓協(xié)同作用下微液滴固-液界面張力的變化及對液滴鋪展的影響。

（3）以往研究中未考慮液滴所置電極/介電層的物理缺陷，實際上大部分電極/介電層并不平整，但其對微觀尺度下的液滴運動影響顯著，應(yīng)在理論模型中納入考慮范圍。

（4）微液滴表面存在蒸發(fā)效應(yīng)，尤其當(dāng)氣液或液固界面存在加熱條件時，該界面條件與電場共同作用，可能使液滴內(nèi)溫度發(fā)生改變。上述因素的影響也應(yīng)納入實驗研究，尤其是理論建模中。

（5）在實際工程中，存在原油雜質(zhì)、工程時耗，考慮時間及無機(jī)鹽等雜質(zhì)，這些因素?zé)o疑將影響液-液交界面表面張力和微液滴運動的變形行為，因此深入開展上述條件對電破乳技術(shù)的影響，將具有重要的理論價值和工程參考價值。

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Review on the effect of electric field on interfacial tension and dynamics of liquid droplets

YE Xuemin，DAI Yuqing，LI Chunxi
（Key Laboratory of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment，North China Electric Power University，Baoding 071003，Hebei，China）

The effect of electric field on the interfacial tension of liquid droplets is of crucial importance to the movement，deformation，splitting and merging of micro fluids actuated by electric fields，which is extensively applied in micro drop control，electronic display，crude dehydration，etc.，and its applications have many potential prospects.In this paper，the effects of electric field on the interfacial tension at gas-liquid，gas-solid and liquid-liquid interface are reviewed comprehensively.The mechanism of micro droplet dynamics induced by interfacial tensions in electric fields is discussed.The related experimental studies and simulation results are summarized.The trend of gas-liquid interfacial tension in the electric field is still controversial due to the difference in the experiments and simulation.The diversiform effects of DC and AC electric fields on the spreading of the droplet and the oscillating characteristic in the process of electrowetting are discussed.Similarly，the remarkable effects of DC，AC and pulse electric field on the movement of a droplet in the process of electric emulsification are analyzed.In addition，based on research progress and existing problems，the possible prospects of electric field on interfacial tension and dynamics of liquid droplets are suggested.

electric field；interfacial tension；electrowetting；electric emulsification

TQ 021；O 361.4

A

1000-6613（2016）09-2647-09

10.16085/j.issn.1000-6613.2016.09.003

2016-01-18；修改稿日期：2016-02-16。

國家自然科學(xué)基金（11202079）及河北省自然科學(xué)基金（A2015502058）項目。

及聯(lián)系人：葉學(xué)民（1973—），男，教授，研究方向為液滴鋪展動力學(xué)特性和液體薄膜流動。E-mail yexuemin@163.com。