CC BY
29
УДК 541.24:532.5:537.84
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ДИСПЕРГИРОВАНИЯ С МИКРОКОНУСОВ МЕНИСКОВ*
© 2017 П. А. Белов1, С. С. Занин2
1 доцент кафедры физики и нанотехнологий, канд. физ.-мат. наук e-mail: heliy2010@,rambler.ru 2студент кафедры физики и нанотехнологий
Курский государственный университет
Излагаются результаты экспериментального исследования электродиспергирования с микроконусов вертикально ориентированных менисков различных жидкостей, характеристики которых изменяются в широких пределах вязкости, коэффициентов поверхностного натяжения и времен релаксации зарядов.
Ключевые слова: электродиспергирование, конус Тейлора
Электродиспегрование представляет большой интерес как инструмент для научного исследования, например для разработки новых средств масс-спектрометрического анализа нелетучих и термически нестабильных жидкостей [Reneker and etc. 2007: 62-65; Toshiyuki Sugimoto and etc. 2001: 30-31; Жакин 2012: 502-503; Жакин 2013: 163]. При формировании конуса Тейлора на его вершине формируется микроконус, который в воздухе (т. е. в азотно-кислородной слабоионизированной плазме) испытывает колебания, подобные колебаниям Тричеля в коронном разряде. В настоящее время довольно детально описаны закономерности колебаний микроконусов водных сред [Reneker and etc. 2007: 62-65]. Результаты, полученные в данной работе, показывают как влияют на поведение микроконуса, формирующегося на вершине конуса Тейлора, проводимость О, диэлектрическая восприимчивость £ , вязкость П, поверхностное натяжение а .
Водные мениски
Отрицательная полярность мениска. Исследования показали, что в зависимости от прикладываемого напряжения можно выделить следующие закономерности. При U < U мениск вытягивается вдоль направления электрического
поля. При Ui < U < U2 наблюдаются низкочастотные (порядка нескольких сот Гц) пульсации микроконуса, сопровождающееся коронным свечением (рис. 1). С ростом поля частота пульсаций V возрастает, например, при U = 11кВ имеем V = 250Гц, а
при U = 13 KB - V = 340 Гц (рис. 2) [Жакин и др. 2012: 33].
Рис. 1. Последовательные кадры колебания отрицательного водного микроконуса при и = 13 кВ; последовательные кадры с интервалом 2,2-10-3 с
Работа выполнена при финансовой поддержке фонда содействия инновациям договор № 11696ГУ/2017 от 03.07.2017 г.
350 300 250 200
10,5 11 11,5 12 12,5 13 и, ^
Рис. 2. Зависимость частоты пульсаций отрицательного водного микроконуса от прикладываемого напряжения
С ростом напряженности поля микроконус вытягивается в тонкую струйку, от которой, в зависимости от размера мениска, могут отрываться как одиночные микрокапли, так и микрокапли за счет распада микроструйки. При распадах микроструек ближайшие к мениску капли иногда возвращаются на мениск, что обусловливается их перезарядкой. Эти результаты показывают, что поверхность мениска окружена облаком зарядов противоположного знака полярности мениска. Наконец, при П3 < П < П4 отрываются макрокапли либо струйки размером порядка
радиуса капилляра. При П > П4 наблюдается пробой.
Положительная полярность мениска. При мгновенном включении высокого напряжения вначале происходит пульсация мениска как целого, то есть, в отличие от отрицательной полярности, пульсирующий микроконус не образуется (рис. 3, а). При повышении напряжения или по прохождении долей секунды (при и = 10 кВ примерно 10"2 с) пульсации сопровождаются выбросом микроструек (рис. 3, Ь), которые вначале не распадаются на микрокапли, а затем выбросы микроструек сопровождаются их распадом на микрокапли [Жакин и др. 2012: 33].
Рис. 3. Положительный мениск воды; последовательные кадры с интервалом 10"3 с; а - пульсации при и = 9 кВ; Ь - выброс микроструи без распада на капли при и = 10 кВ
В силу того что мениск изменяет свою форму (теряет симметричность), выброс микроструек происходит по разным направлениям. Отличие в поведении мениска при разных полярностях можно объяснить разными ионизационными процессами на границе вода-воздух: при отрицательной полярности поверхность взаимодействует с положительными ионами, при положительной - с электронами и отрицательными ионами. Обратим внимание на то, что при отрицательном мениске выбросы микроструек начинаются при более высоком напряжении ( U ~ 15 кВ), тогда как при
v, Hz
положительном мениске - при и ~ 10 кВ, то есть в этом случае ионизационные процессы на поверхности мениска идут более интенсивно. Этот эффект можно объяснить тем, что при положительном мениске ионизация поверхности происходит за счет ее бомбардировки электронами, обладающими высокой кинетической энергией.
Глицериновые мениски Роль вязкости жидкости при быстрой релаксации зарядов можно проследить на примере глицериновых менисков. Так же как и в случае водных менисков, наблюдаются пульсации микроконуса (рис. 4, а). Однако в этом случае пульсации чаще сопровождаются зажиганием коронного разряда (рис. 4, Ь). Частота пульсаций примерно на порядок меньше, чем в случае водных менисков. Введение микропузырей в глицерин позволило установить, что при пульсациях микроконуса происходят своеобразные течения внутри мениска. При этом часть пузырьков движется от вершины в глубь жидкости вдоль оси симметрии конуса Тейлора, а пузырьки, находящиеся вблизи поверхности - к вершине конуса Тейлора. Эти данные показывают, что внутри мениска имеет место вихревое течение,
а)
т
Ь)
Рис. 4. Пульсации отрицательного глицеринового микроконуса без зажигания (а, и = 10 кВ) и с зажиганием (Ь, и = 11 кВ) коронного разряда; а - кадры сняты с интервалом At = 0,02 с, Ь - At =0,01 с. [Жакин и др. 2013: 55]
Мениски этилового спирта
Отрицательная полярность мениска. В экспериментах использовался 96% раствор медицинского спирта, который, как и водные растворы, относится к жидкостям с быстрой релаксацией зарядов. Отличие заключается в том, что у спирта коэффициент поверхностного натяжения значительно меньше, чем у воды (примерно в 2,5 раза). Поэтому эти эксперименты позволяют проследить влияние поверхностного натяжения на истечение заряженных струй с быстрой релаксацией зарядов.
Исследования выявили следующие закономерности. Формирование микроконуса (и ~ 10 кВ) сопровождается зажиганием коронного разряда (рис. 5). Этот эффект ожидаем, так как при малых поверхностных натяжениях угол заострения микроконуса увеличивается, что приводит к усилению напряженности поля и, как следствие, к зажиганию короны. Далее, с повышением напряженности поля (и ~ 12 кВ) из кончика микроконуса вырывается микроструйка, кончик которой распыляется на микрокапли в виде конуса. Съемка в инфракрасном спектре показала, что микроструйка и малые капли излучают, что может свидетельствовать о том, что это плазменные образования. В достаточно сильных полях (и ~ 15 кВ) формируется полиструйное распыление жидкости. Количество микроструек, в зависимости от напряженности поля, изменяется от одной и более, а сами микроструйки перемещаются
вдоль поверхности, так что этот режим является нестационарным.
Положительная полярность мениска. При положительной полярности также наблюдаются
А
Рис. 5. Последовательные кадры колебания микроконуса этилового спирта; а - положительный мениск,
интервалы между кадрами Аt =8*
in : с,
U = 8 kB; b - отрицательный мениск, А/ = 10" с, U = 10 кВ
При этом, как и при водных менисках, напряжение электрического поля значительно меньше, чем при отрицательном мениске (рис. 5). С повышением напряжения до U = 10 кВ происходит выброс плазменных микроструек, которые, как правило, распадаются на микрокапли. Механизм подобного поведения мениска, на наш взгляд, аналогичен тому, который имеет место при водных менисках. В силу того что у этилового спирта поверхностное натяжение значительно меньше, чем у воды, возникают отличия в поведении микроструек, в частности, они практически всегда распадаются на микрокапли. Обратим внимание на то, что поведение как водных, так и спиртовых менисков существенно определяются ионизационными процессами на поверхности жидкость-воздух [Жакин и др. 2013: 55].
Мениски касторового масла Касторовое масло является жидкостью с малым временем релаксации зарядов и поверхностным натяжением в 2 раза меньшим, чем у воды. Эксперименты показали, что при U ~ 10 кВ образуется пульсирующий микроконус на вершине конуса Тейлора, частота пульсаций которого приблизительно совпадает с частотой глицеринового микроконуса. В отличие от глицерина размеры микроконуса значительно меньше, а коронный разряд не наблюдается [Жакин и др. 2012: 57]. При U ~ 14 кВ из микроконуса вырывается микроструйка, которая делится пополам, так что верхняя часть в виде капли отрывается от струи, а вторая часть под действием поверхностного натяжения сокращается в исходное состояние. Наконец, при высоком напряжении (U > 15 кВ) происходит распыление жидкости на микрокапли.
Выводы
1. При экспериментальном изучении электродиспергирования жидкостей с быстрой релаксацией зарядов (вода, этиловый спирт и глицерин) обнаружены существенные различия в динамике менисков, обусловленные различием значений вязкости и коэффициентов поверхностного натяжения.
2. В воде, которая обладает высоким поверхностным натяжением, на вершине конуса Тейлора образуется устойчивый пульсирующий микроконус, частота пульсаций
которого увеличивается с ростом поля в диапазоне полей и < и < и2 (и1 ~ 10кВ, и ~13кВ).
3. В глицериновом мениске на вершине конуса Тейлора образуется микроконус, частота пульсаций которого примерно на порядок меньше, чем частота пульсаций водного мениска, причем в диапазоне пульсаций < и < и2, как правило, наблюдается образование коронного разряда.
4. Обнаружено влияние полярности менисков на их поведение. Это свидетельствует о том, что динамика менисков неразрывно связана с процессами ионизации на границе жидкость-газ. В частности, при положительном мениске ионизационные процессы идут более интенсивно, что способствует более интенсивному диспергированию жидкости по сравнению с отрицательным мениском.
Библиографический список
Долматов В.Ю. Детонационные наноалмазы: получение, свойства, применение // Успехи химии. 2007. Т. 76. №4. С. 375-397.
Жакин А.И. Электрогидродинамика // УФН. 2012. Т. 182. . №5. С. 495-520. Жакин А.И. Электрогидродинамика заряженных поверхностей // УФН. 2013. Т. 183. № 2. С. 153-177.
Жакин А.И. Кузько А.Е., Белов П.А. ЭГД неустойчивость свободной поверхности // Известия Юго-Западного государственного университета. Курск. 2012. №3 (42). С. 31-38.
Жакин А.И. Кузько А.Е., Белов П.А. Экспериментальные исследования электростатического диспергирования жидкостей с медленной релаксацией заряда // Известия ЮЗГУ. Серия Физика и химия. 2012. №2. С. 46-51.
Reneker D.H., Yarin A.L., Zussman E, Hu H. Electrospinning of nanofibers from polymer solutions and melts // Advancers in applied mechanics. Vol. 41. 2007. Р. 43-195.
Toshiyuki Sugimoto, Kazutoshi Asano, Yoshio Higashiyama. Negative corona discharge at a tip of water cone deformed under dc field // Journal of Electrostatics. Vol. 53. 2001. Р. 25-38.
Zhakin A.I., Belov P.A. The experimental study of charged meniscues // Surface Engineering and Applied Electrochemistry. 2013. Vol. 49. № 2. Р. 52-58.
