如果粉末间隙内壁的表面能随着润湿而降低,则液体会向管内上升渗入(\(\gamma_{\text{SL}}<\gamma_{\text{SO}}\))。
考虑液体上升的驱动力来自于附加压力,则由弯曲表面附加压力 Young-Laplace 方程,驱动力为:
\[F=pS=\frac{2\gamma\cos\theta}R\pi R^2=2\pi R\gamma\cos\theta \]间隙内的粘性摩擦力由 Poiseuille 定律给出,其表达式为:
\[F_\eta=8\pi\eta vh \]式中 \(v\) 代表上升平均速率,\(h\) 代表液体上升高度。
考虑运动过程,可列出方程
\[\frac{\mathrm d(MV)}{\mathrm dt}=F-F_\eta-W \]式中 \(W\) 代表重力,\(W=\rho g\pi R^2h\)。
一般而言,间隙是很细的,液体的运动也很缓慢。而且众所周知,小管子里还有边界层效应,其实速度是很小的,与摩檫力相比,惯性项可以忽略!直接一波简化!
\[\begin{matrix} \displaystyle F-W=F_\eta \\[1ex] \displaystyle 2\pi R\gamma\cos\theta-\rho g\pi R^2h=8\pi\eta vh \end{matrix} \]直接再简化,忽略 \(W\)!有
\[2\pi R\gamma\cos\theta=8\pi\eta vh=8\pi\eta\frac{\mathrm dh}{\mathrm dt}h \]积分易得
\[h=\sqrt{\frac{\gamma R\cos\theta}{2\eta}t} \]上式就是 Washburn 方程,又称 Lucas-Washburn 方程,又称 Bell-Cameron-Lucas-Washburn 方程,名字一听就非常厉害。定性地讲,\(h\propto\sqrt t\)。
式中 \(\theta\) 代表接触角。Cassie 定律用于描述液体固体接触时的接触角,复合材料的接触角为
\[\cos\theta_c=\sigma_1\cos\theta_1+\sigma_2\cos\theta_2 \]Cassie 和 Baxter 扩展了粗糙度影响的概念,对于多孔介质,液体不穿透沟槽而是留下一个空气间隙,有
\[\cos\theta_c=\sigma_1\left(\cos\theta_1+1\right)-1 \]如果我们试图计算以下渗透深度呢?水表面张力取 \(\gamma=72~\text{mN/m}\),粘度取 \(\eta=0.89~\text{mPa}\cdot\text s\),间隙只能按粉末粒径瞎估一个 \(R=1\sim5~\mu\text m\),接触角查到的其实是 \(90\) 度以上了,但那样算出来就是完全无法渗透,我们只能瞎估一个 \(89\) 度好了,虽然不太科学,但应该大家不会在意。取 \(t=10~\text s\),如果代入 \(R=1~\mu\text m\),则 \(h=\sqrt{\dfrac{72\times10^{-3}\times1\times10^{-6}\cos89^\circ}{2\times10^{-3}}\times10}\approx4.2~\text{mm}\)。
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