上升氣泡與塑料平板在純水中的碰撞黏附行為

聶東強，黃學章，孫志強

（中南大學 能源科學與工程學院，長沙410083）

近年來，隨著制備技術和產品性能大幅度提升，塑料在航空航天領域的應用逐漸得到重視［1-2］，如聚丙烯（PP）、聚四氟乙烯（PTFE）、聚酰亞胺、環氧樹脂、聚碳酸酯等已用于航天器及其艙外活動單元中［3-5］。然而，塑料產品的廣泛使用必然產生大量的廢舊塑料，對廢舊塑料的清潔高效處理是社會高度關注的熱點和難點問題［6］。循環利用相比于傳統的填埋、焚燒等方式，具有低能耗、節約土地資源和降低大氣污染物排放等諸多優點，被認為是更為妥善的廢舊塑料處理方式［7］。在廢舊混合塑料的循環利用過程中，實現混合塑料的有效分離是必要前提，因此，塑料浮選技術應運而生并得到了長足發展［8］。

在塑料浮選中，通常將空氣以小氣泡形式引入到水性塑料顆粒懸浮液中，與塑料顆粒發生碰撞和選擇性黏附，形成穩定的氣泡-顆粒聚合體并上升，從而達到預期的分離效果。氣（空氣）-液（水性介質）-固（塑料顆粒）界面性能是決定能否附著及附著快慢的關鍵。Niecikowska［9］和Krasowska［10］等研究了PTFE等材料在表面改性后與氣泡的碰撞過程，發現氣泡與疏水性好的材料碰撞接觸后迅速黏附在其表面上，而與疏水性較差的材料表面碰撞接觸時，需經過數次反彈碰撞后才能在材料表面形成三相接觸周邊。Krasowska和Malysa［11］研究了潤濕性對碰撞過程中三相接觸線形成的影響，發現親水性玻璃表面液膜較穩定，難以形成三相接觸線，而疏水性特氟龍表面液膜不穩定，易形成三相接觸線。然而，目前關于水介質中氣泡與塑料碰撞黏附行為的細節過程及其影響因素研究較少，對碰撞黏附特性的量化表征較為缺乏。

本文采用高速攝影技術，在方形透明有機玻璃柱中對不同尺寸氣泡和不同疏水性塑料平板的碰撞黏附過程進行觀測，記錄氣泡與塑料平板碰撞黏附的各個階段，定量分析氣泡的碰撞形變、黏附時間及三相接觸線擴散等特性。

1 實驗裝置與方法

1.1 實驗材料

本文以PTFE、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和PP三種塑料平板為實驗對象，以純水為實驗介質，使用光學接觸角測量儀測得PTFE、PMMA、PP與純水的接觸角分別為94.99°、92.49°、84.49°，表明PTFE的疏水性最強，PMMA次之，PP最弱。

1.2 實驗裝置及過程

如圖1所示，實驗系統主要由方形透明有機玻璃柱（55mm×55 mm×550mm）、蠕動泵、微量進樣器、高速攝影儀、光源和計算機組成。實驗過程中，由微量進樣器控制氣泡的生成，氣泡通過蠕動泵從底部噴管引入玻璃柱，與通過連桿固定的塑料平板（45mm×45mm）發生碰撞，利用VEO-410L高速攝影儀觀測碰撞黏附過程，采集的圖像被存儲至計算機，用于后續分析處理。高速攝影儀的拍攝速率為2000幀／s，分辨率為1280像素×800像素。

圖1 實驗系統Fig.1 Experimental system

實驗氣泡直徑dB為0.8～1.2 mm。為了減小氣泡不穩定性的影響，將玻璃柱內液面高度設置為400mm，塑料平板置于距噴管出口350 mm處，前期研究表明氣泡上升到此位置時已達到近似勻速狀態。每個條件下的實驗均重復5次，取其平均值進行計算和分析。

1.3 數據處理

圖2 上升氣泡與塑料平板碰撞黏附過程Fig.2 Collision and attachment process between rising bubble and plastic plate

圖2給出了氣泡由臨碰撞到形成穩定三相接觸線的一組完整過程。可以看到，氣泡在臨碰撞前會有一定的形變，需要經過數次“撞擊—反彈”才能與塑料平板完全黏附融合，形成三相接觸線。

對拍攝的圖像逐幀進行分析處理，提取氣泡的局部速率和碰撞黏附的特征時間。氣泡局部速率的計算式為

式中：（xi，yi）和（xi＋1，yi＋1）為相鄰圖像上氣泡位置坐標；Δt為圖像采樣時間間隔。

以dB＝1.0mm的氣泡為例，圖3給出了上升氣泡與PTFE平板碰撞黏附過程中速率的變化曲線。氣泡與塑料平板發生碰撞時，速率基本恒定，其值為0.093m／s。按照氣泡速率的變化，將碰撞黏附過程進一步細分為碰撞、液膜排液、三相接觸線擴散等3個階段。其他尺寸氣泡與塑料平板碰撞黏附的速率如圖4所示，其變化趨勢基本一致。

如圖3所示，碰撞階段是指氣泡與塑料平板發生碰撞到氣泡速率初降為0的階段。氣泡接觸塑料平板后，運動并未立即停止，而是繼續向上擠壓造成氣泡形變，速率漸減。當形變到達極限時，氣泡開始向下運動遠離塑料平板，出現反彈現象。氣泡的這種“撞擊—反彈”行為會往復進行多次，直至能量耗盡最終停留在塑料平板表面。液膜排液階段是指從氣泡速率為0到液膜破裂，氣泡速率發生突變的階段。此時氣泡與塑料平板之間由于液膜的存在并未融合，隨著碰撞黏附行為的進行，液膜緩慢排水并被擠壓變薄，直至到達液膜臨界破裂厚度。三相接觸線擴散階段指從液膜排液結束到氣泡速率穩定為0的階段。該階段氣泡與塑料平板之間的液膜破裂，形成三相接觸線并最終達到穩定黏附。

圖3 d B ＝1.0mm時氣泡與PTFE平板碰撞速率變化Fig.3 Speed variation during collision between bubble and PTFE plate when d B ＝1.0mm

圖4 不同尺寸氣泡與PTFE平板碰撞速率變化Fig.4 Speed variation during collision between bubble with different sizes and PTFE plate

2 結果與討論

2.1 碰撞階段

實驗過程中，觀測到氣泡在與塑料平板臨碰撞前形狀有一定變化，采用變形因子［12］進行定量表征，其定義為

式中：dv和dh分別為氣泡的縱向和橫向長度。

圖5給出了氣泡的變形因子與其直徑、塑料平板材質之間的關系。隨著氣泡直徑的增大，變形因子數值由略大于1.00逐漸演化為略小于1.00，反映出氣泡形狀逐漸由拉伸的墜滴狀轉變為壓縮的橢圓狀。氣泡直徑越大，形成的液膜厚度越厚，穩定性越好，與塑料平板碰撞時水化膜的擠壓力越大。加之氣泡表面積越大，荷電量相對更多，靜電斥力越大。因此，大尺寸氣泡的擠壓變形程度更大。同時還可以看到，疏水性強的塑料平板使得相同直徑氣泡的變形因子更大。

圖6給出了氣泡與塑料平板的碰撞時間隨氣泡直徑和塑料平板材質的變化關系。可以看到，不同直徑氣泡與不同疏水性塑料平板的碰撞時間均較為穩定，標準差較小。對于同一疏水性塑料平板，氣泡直徑越大碰撞時間越長；對于相同尺寸氣泡，材質疏水性越強碰撞時間越短。當dB＜0.9mm時，碰撞時間受材料疏水性影響較小，而dB＞0.9 mm 時，材料疏水性對碰撞時間的影響增大。

碰撞階段主要是氣泡動能耗散過程，通過反復的“撞擊—反彈”致使氣泡的形狀和速率不斷變化，直至動能耗盡，附著于塑料平板表面。當氣泡第一次碰撞到塑料平板時速率達到最大，氣泡擠壓形變，氣泡速率迅速減小，該過程中，一部分能量因黏性耗散而消耗，一部分能量轉化成氣泡的表面能，導致系統表面能增加。由于氣泡擠壓表面水化層時間較短，尚未達到液膜臨界破裂厚度，因此氣泡反彈離開塑料平板表面，在反彈過程中，一部分氣泡表面能又轉化成動能，使氣泡離開塑料平板，反彈速率減小很多。同時在碰撞過程中，由于疏水性更好的材料與氣泡的黏附更牢固，反彈過程所需能量更多，單次碰撞能量消耗越大，因此，氣泡與PTFE平板在碰撞階段的速度衰減更快，碰撞時間最短。

圖5 臨碰撞前氣泡的變形因子Fig.5 Bubble deformation factor before collision

圖6 碰撞時間Fig.6 Collision time

2.2 液膜排液階段

圖7為液膜排液時間的變化情況。塑料平板疏水性不同，液膜排液時間相差較大，且標準差亦較大。塑料平板疏水性越強，液膜排液時間越短，形成三相接觸線所用時間也越短。當 dB＝1.0mm時，PTFE和PMMA平板的液膜排液時間均出現極小值，分別為4.8ms和56ms。對于相對親水的PP平板，液膜排液時間隨氣泡直徑的增大而增長。由擴展DLVO理論［13］可知，氣泡在靠近疏水性較強的塑料平板時產生的疏水引力較大，屬于長程相互作用力，遠大于起排斥作用的London-van der Waals力和靜電力等，因此液膜變薄并逐步達到臨界破裂值。同時由于材料疏水性越強，其塑料平板表面能越小，液膜穩定性越差，導致不同疏水性材料液膜排液時間相差甚大［14］。

在粗糙塑料平板表面可能介入微氣泡，增加塑料平板與氣泡間的含氣率，改變流體動力學邊界條件，使得塑料平板局部摩擦阻力大幅減小，最大減阻幅度可達90%左右［15］。因此該過程更易發生氣泡滑移現象，導致即使在相同工況下液膜排液時間的標準差較大。

圖7 液膜排液時間Fig.7 Liquid film discharge time

2.3 三相接觸線擴散階段

圖8為三相接觸線擴散時間的變化情況。整體而言，氣泡越大，三相接觸線擴散時間越長。對于相同尺寸氣泡，其三相接觸線擴散時間隨塑料平板疏水性的增大而減小。對于疏水性較強的材質，三相接觸線擴散時間受氣泡尺寸的影響變化較小；而對于較為親水的材質（如PP），氣泡直徑對三相接觸線擴散時間有顯著的影響，特別是當dB＞1.0mm后，三相接觸線擴散時間急劇增加。

在三相接觸線擴散過程中，三相接觸線直徑（即三相接觸形成擴散圓形的直徑，以dTPC表示）逐漸變化，直至氣泡與塑料平板完全黏附融合。以dB＝1.0mm的氣泡為例，取三相接觸線開始形成的時刻t＝0，圖9給出了三相接觸線擴散直徑在3種不同塑料平板表面的變化情況，其他尺寸氣泡的變化趨勢基本一致。可以看出，整體上三相接觸線擴散直徑隨塑料平板疏水性的減小而減小。PTFE和PMMA的三相接觸線擴散特性較為相似，PTFE的dTPC＝0.69mm，略大于PMMA的0.63mm；其三相接觸線擴散時間的差別則稍大，前者為17.5ms，后者為29.5ms。而對于較親水的PP平板而言，在大部分動能消散液膜破裂后三相接觸線方能形成，導致三相接觸線直徑較小（dTPC＝0.42mm），且所需三相接觸線擴散時間長達54ms。

圖8 三相接觸線擴散時間Fig.8 Diffusion time of three-phase contact line

圖9 三相接觸線擴散直徑Fig.9 Diffusion diameter of three-phase contact line

該階段是氣泡液膜破裂開始形成三相接觸線到形成穩定的三相接觸線的過程。當液膜破裂之后，毛細附著力增大，導致三相接觸線擴散速度更快，擴散時間更短［16］。同時由于疏水性表面形成的水化膜不穩定，而親水性表面形成的水化膜較穩定，因此當氣泡黏附在塑料平板表面后由于其周邊的水化膜穩定性不同，水化膜擴展能力也不同，故當達到穩定接觸時，PTFE平板上三相接觸線擴散直徑最大，PMMA平板次之，PP平板最小。

3 結 論

本文采用高速攝影技術觀測上升氣泡與塑料平板在純水介質中的碰撞黏附行為，根據氣泡速率的變化，將之細分為碰撞、液膜排液、三相接觸線擴散等3個階段，探討了氣泡尺寸和塑料平板表面疏水性對氣泡碰撞形變、黏附時間及三相接觸線擴散特性的影響。主要結論如下：

1）在碰撞階段，變形因子隨氣泡直徑的增大由略大于1.00演化為略小于1.00，疏水性強的塑料平板使相同直徑氣泡的變形因子更大。對于同一疏水性塑料平板，氣泡直徑越大碰撞時間越長；對于相同尺寸氣泡，材質疏水性越強碰撞時間越短。

2）在液膜排液階段，塑料平板疏水性越強，形成三相接觸所用時間越短。當dB＝1.0mm時，PTFE和PMMA平板的液膜排液時間均出現極小值，分別為4.8ms和56ms。

3）三相接觸線擴散時間隨氣泡的增大而增大，隨塑料平板疏水性的增大而減小。對疏水性較強的材質，三相接觸線擴散時間受氣泡尺寸的影響較小，對較為親水的材質，氣泡直徑對三相接觸線擴散時間影響顯著。在氣泡大小相同時，三相接觸線擴散直徑隨塑料平板疏水性的減小而減小。

后續研究將在不同表面粗糙度和表面活性劑條件下開展更多實驗，進一步揭示上升氣泡與塑料平板碰撞黏附行為的影響因素及其規律。