3.4探究植物油粘度對(duì)液滴爆炸的影響

接下來(lái)再探究疏水性物質(zhì)種類對(duì)液滴爆炸的影響，疏水性物質(zhì)有很多種，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中不可能將所有的疏水性物質(zhì)一一嘗試，所以要找出選擇有限疏水性物質(zhì)種類的標(biāo)準(zhǔn)。本文開始選擇了五種疏水性物質(zhì)進(jìn)行嘗試，實(shí)驗(yàn)表明（如表2所示）：對(duì)于硅油池與甘油池，沒(méi)有一個(gè)案例表現(xiàn)出液滴的擴(kuò)散；對(duì)于食用調(diào)和油、菜籽油池，40%、60%和80%乙醇溶液液滴在降落到油池上后均立即自發(fā)地進(jìn)行擴(kuò)散；對(duì)于蓖麻油池只有40%乙醇溶液無(wú)液滴爆炸現(xiàn)象產(chǎn)生。由此可以得出液滴只在特定種類疏水性物質(zhì)上“爆炸”，并猜測(cè)與油的黏性有關(guān)。

表2疏水性物質(zhì)種類對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響

故本文將選擇不同黏度梯度的疏水性物質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。采用蓖麻油和花生油進(jìn)行試驗(yàn)，蓖麻油的黏度（1452.91 mm2/s）遠(yuǎn)大于花生油（108.34 mm2/s），當(dāng)乙醇濃度為70%時(shí)，在蓖麻油上最終液滴的半徑接近0.01 mm,遠(yuǎn)小于對(duì)應(yīng)花生油的測(cè)量值0.0743 mm.分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到結(jié)論：微觀上黏度增大會(huì)導(dǎo)致最終形成的液滴減小，宏觀上黏度越大，液滴爆炸總時(shí)間越長(zhǎng)，最大擴(kuò)散半徑越小。

3.5探究滴入液滴的體積對(duì)液滴爆炸的影響

實(shí)驗(yàn)5探究滴入液滴體積對(duì)液滴爆炸的影響，采用不同孔徑注射器，向高黏度蓖麻油油層上，滴入大液滴體積0.17 ml、小液滴體積0.08 ml的70%濃度的乙醇溶液，得到結(jié)論是：滴入更大的液滴會(huì)導(dǎo)致液滴爆炸總時(shí)間的延長(zhǎng)和擴(kuò)散半徑的增大。

3.6嘗試不同種類的液體

實(shí)驗(yàn)6嘗試不同種類的液體。同理，液體種類也有很多種，無(wú)法一一研究，但在理論分析中發(fā)現(xiàn)乙醇具有特殊的分子結(jié)構(gòu)，所以可以將同時(shí)具有羥基和烴基作為選擇的標(biāo)準(zhǔn)，本文采用二乙二醇丁醚進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中也能觀察到小液滴的形成，認(rèn)為發(fā)生了液滴爆炸的現(xiàn)象。

3.7改變溫度

實(shí)驗(yàn)7改變溫度。改變溫度首先探究改變環(huán)境溫度，如圖16所示，分別是60%酒精溶液在培養(yǎng)皿底座為10℃、20℃、35℃下，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行至30 s時(shí)的擴(kuò)散現(xiàn)象圖。由實(shí)驗(yàn)可見溫度的差異引起液滴爆炸的現(xiàn)象有顯著不同。溫度越高分裂越劇烈，反應(yīng)擴(kuò)散的速度越快，分裂出的液滴小，數(shù)量越多，反之亦然。

圖7不同乙醇比例的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

圖8乙醇濃度對(duì)碎裂現(xiàn)象的影響

圖9視野區(qū)域

圖10碎裂液滴半徑與乙醇濃度關(guān)系

圖1199%乙醇滴落在油的表面現(xiàn)象

4結(jié)論

本文主要展示了水和乙醇的二元混合物在油浴上的不穩(wěn)定擴(kuò)散——液滴爆炸現(xiàn)象。證實(shí)由于乙醇濃度的不穩(wěn)定性導(dǎo)致液滴在沒(méi)有蒸發(fā)的情況下完全擴(kuò)散。繼而酒精的蒸發(fā)改變了混合物在擴(kuò)散前沿附近的潤(rùn)濕性，從而迅速阻止其發(fā)展。然而，液滴并不像經(jīng)典的除濕現(xiàn)象那樣立即后退縮小。由蒸發(fā)引起的酒精濃度梯度產(chǎn)生了從液滴中心到其外圍的強(qiáng)烈馬蘭戈尼效應(yīng)，使液滴分裂出微小的液滴。這種不穩(wěn)定性不限于酒精~水混合物滴沉積在植物油上的特殊情況。水和乙醇的混合物沉積在蓖麻油上、水和二乙二醇丁醚的混合物沉積在植物油上也都可獲得相同的特征。

本文通過(guò)理論分析、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，探究影響液滴爆炸碎裂的參數(shù)和影響最終液滴大小參數(shù)，將碎裂現(xiàn)象用液滴爆炸總時(shí)間、擴(kuò)散半徑這兩個(gè)維度來(lái)衡量，得到以下結(jié)論：滴入液滴的初始乙醇濃度增大，擴(kuò)散半徑會(huì)增大，液滴爆炸持續(xù)時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)，乙醇初始濃度增加會(huì)使得最終形成的液滴變??；疏水性油的黏度增大，擴(kuò)散半徑會(huì)縮小，液滴爆炸持續(xù)時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)；疏水性油的黏度增大會(huì)導(dǎo)致最終形成的液滴減??；滴入液滴的體積增大，擴(kuò)散半徑和時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)；類似于乙醇這樣同時(shí)具有羥基和烴基的有機(jī)溶液也可能會(huì)產(chǎn)生液滴爆炸現(xiàn)象；液滴爆炸現(xiàn)象跟溫度有關(guān)，溫度越高分裂越劇烈，反應(yīng)擴(kuò)散的速度越快，分裂出的液滴越小，數(shù)量越多。

液滴在界面上的運(yùn)動(dòng)在微流控領(lǐng)域有廣泛運(yùn)用，本課題有望為相關(guān)領(lǐng)域的問(wèn)題的解決帶來(lái)啟示。有資料表明油滴滴在水面也有類似的現(xiàn)象，因此本研究也可能在海上石油污染的預(yù)估和檢測(cè)等方面提供幫助。因此，對(duì)于液滴爆炸中馬蘭戈尼效應(yīng)的研究有著廣泛的實(shí)際意義。