本文研究了聚四氟乙烯（PTFE）膠粒與NaCl混合液滴的蒸發(fā)過(guò)程及其圖案形成機理。結果表明，PTFE顆粒對接觸線(xiàn)具有強烈的釘扎作用，膠體液滴蒸發(fā)伴有顯著(zhù)的“咖啡環(huán)”效應。由于液滴中心液相區表面張力法向分力的作用，使得凝膠區存在輻射狀應力，進(jìn)而產(chǎn)生從液滴邊緣向中心的輻射狀裂紋，裂紋數量隨膠粒的體積分數增大而減少。NaCl與PTFE膠粒的混合液滴出現了復雜多樣的蒸發(fā)圖案。鹽的加入抑制了向外的毛細補償流，從而有利于獲得宏觀(guān)上厚度均勻的沉積膜。NaCl與PTFE膠粒耦合形成了凹凸不平的枝晶狀形貌，這可能是釋放蒸發(fā)應力的結果。

根據實(shí)驗觀(guān)測，裂紋數量隨波紋數量的增加而增多，可以推斷蒸發(fā)裂紋是輻射狀應力釋放的結果。裂紋的數量隨膠粒體積分數的增大（沉積膜厚度的增大）呈線(xiàn)性減少趨勢。這是因為沉積膜厚度的增大引起彎曲模量B增大，使得輻射狀應力波紋的波長(cháng)增大。本文的結果與Huang等提出的模型相吻合。

輻射狀應力σrr的直接來(lái)源是液滴中心液態(tài)區表面張力法向分力引起的界面失穩。另外，蒸發(fā)過(guò)程產(chǎn)生的Benard-Marangoni失穩易使沉積膜上自發(fā)形成輻射狀微槽。這些微槽有可能構成沉積膜的缺陷，從而導致內應力釋放沿著(zhù)微槽進(jìn)行，并最終形成輻射狀裂紋。

PTFE膠粒對分散液接觸線(xiàn)的釘扎作用

實(shí)驗發(fā)現，純水液滴和NaCl水溶液液滴在玻璃基底上蒸發(fā)時(shí)其三相接觸線(xiàn)均發(fā)生不同程度的收縮。圖1所示為NaCl溶液液滴的蒸發(fā)過(guò)程?？梢钥闯?，接觸線(xiàn)的收縮并非連續不斷，而是在一定時(shí)間內先保持“釘扎”[圖1（A），（B）].在此過(guò)程中，接觸角不斷減小，從而使得表面張力的水平分力增大，當其超越基底對接觸線(xiàn)產(chǎn)生釘扎作用時(shí)，就會(huì )引起接觸線(xiàn)的收縮。由于基底結構的不均勻性，液滴各方向的收縮也可能是不均勻的，如圖1（C）——（H）所示。由于蒸發(fā)過(guò)程中接觸線(xiàn)不能釘扎，蒸發(fā)造成的Marangoni對流以及重力沉降作用使得NaCl在液滴中心區域富集，如圖1（I）所示。因而NaCl晶體首先在液滴中心區域析出。

當液滴中NaCl含量較高時(shí)，鹽并不是在液滴的邊緣析出，而是在靠近邊緣的位置析出。這可能是液滴蒸發(fā)初期毛細補償流與Marangoni對流的競爭使得溶質(zhì)在近邊緣位置富集所致。此時(shí)，液滴邊緣已成為凝膠區（表面張力?。?，而內部仍為液態(tài)區，因而析出的NaCl晶體將在內部液相表面張力的牽引下向內部運動(dòng)，并逐漸形成更大尺寸的塊狀鹽晶體。說(shuō)明當NaCl濃度較高時(shí)，即使存在PTFE顆粒，仍有部分NaCl會(huì )按其自身生長(cháng)特性形成多面體結構。而液滴邊緣凝膠區枝晶的生長(cháng)則與圖2相類(lèi)似，呈現出NaCl與膠體顆粒之間復雜耦合的特點(diǎn)。

結論

通過(guò)研究PTFE膠體液滴、NaCl水溶液液滴以及PTFE與NaCl混合液滴的蒸發(fā)過(guò)程，分析了其蒸發(fā)圖案的結構和形成機理，結果表明，不同濃度的PTFE膠體液滴干燥后均形成顯著(zhù)的“咖啡環(huán)”并出現由邊緣指向中心的輻射狀裂紋。干燥沉積膜層厚度隨PTFE質(zhì)量分數的增加而增大，且厚度最大值出現在靠近邊緣的位置。PTFE顆粒對接觸線(xiàn)具有顯著(zhù)的釘扎作用。少量PTFE顆粒的引入使得鹽溶液液滴的接觸線(xiàn)保持不動(dòng)，導致鹽晶體首先在接觸線(xiàn)處析出。PTFE與NaCl混合液滴的蒸發(fā)具有復雜的協(xié)同效應。NaCl的存在改變了膠體液滴蒸發(fā)產(chǎn)生的應力分布，抑制了向外的毛細補償流，從而有利于獲得宏觀(guān)上厚度均勻的沉積圖案。NaCl與PTFE顆粒耦合形成了凹凸不平的枝晶形貌，枝晶的生長(cháng)過(guò)程有可能是釋放蒸發(fā)應力的一種方式。