饮料瓶表面粗糙度对其冷凝水结成速率以及疏水性能的影响

饮料瓶表面粗糙度对其冷凝水结成速率以及疏水性能的影响

徐梓宸

上海华旭双语学校，上海200000

摘要：本研究通过对PP材质的塑料瓶制备不同的表面粗糙度，研究其对瓶体表面冷凝水结成速率及疏水性能的影响，为解决冰镇饮料瓶表面冷凝水大量覆盖的问题提供了思路。

1 背景介绍

在低温环境中，空气中的水蒸气容易达到饱和和过饱和，并且在固体表面形成液膜。这种液膜会导致固体表面光滑，增加了产品应用风险。当水瓶被从冰箱拿出并放置在室温状态后，瓶子表面会快速形成冷凝液膜，这种液膜则会导致触电，脱落及卫生问题。因此，如何减少瓶体表面冷凝水的产生并使其快速疏离是一个值得重视的问题。

目前饮料瓶的主要成分为聚对苯二甲酸乙，聚乙烯以及聚丙烯等高分子材料，其中聚丙烯（PP）是典型的疏水材料。根据Cassie公式，我们可以得到疏水表面粗糙度和疏水程度之间的关系。本研究通过使用相同目数砂纸打磨不同时间的方式，不同程度上提高了不同塑料瓶的表面粗糙度。并且通过瓶子表面冷凝水的收集量判断了表面粗糙度和冷凝水结成速率及疏水性能之间的关系。

2 实验部分

2.1 原材料

PP材质塑料瓶，80目砂纸，800目砂纸

2.2设备

摄像机（oppo reno 3），冰箱，温湿度计，接触角测量仪

2.3实验方法

第一部分：

首先，挑出三个塑料瓶，分别对其进行不同时间的打磨。塑料瓶1不进行打磨，塑料瓶2进行均匀的2.5分钟打磨，塑料瓶3进行均匀的5分钟打磨。随后将三个塑料瓶放入冰箱并冷冻两小时。之后将其放置在室温环境。等待半小时后，对瓶体表面进行拍摄，随后将瓶子在砂纸表面滚动一圈，通过表面水珠密集程度及砂纸积水量以观察冷凝水的结成速度。

第二部分：

    将瓶子里的水倒出，剪下瓶身表面塑料，测量其接触角，从而判断其疏水性能。

图1a为塑料瓶的俯视图，图1b为塑料瓶的侧视图

3 结果讨论

3.1 打磨时间和接触角之间的关系

通过砂纸打磨瓶子的时间不同来制造不同粗糙度表面，而不同的表面粗糙度则会导致接触角的不同。

图2a为塑料瓶1的接触角，图2b为塑料瓶2的接触角，图2c为塑料瓶3的接触角

由此可见，塑料瓶的表面越粗糙，其接触角则越大，从而越疏水。

3.2 水收集测试

为了验证粗糙度对于表面冷凝水结成效率的影响，样品被装满水之后放置在冷藏冰箱中冷冻。待水到达低温状态之后取出，在自然环境中收集空气中的水蒸气。水收集的环境温度是23°，空气相对湿度23%RH。

图3 室温状态下放置30分钟后的三个塑料瓶（从左到右依次为塑料瓶1，塑料瓶2，塑料瓶3）d）为温湿度计

如图所示，在室温状态下放置半小时后，未经打磨的塑料瓶表面积攒水珠最为密集，经2.5分钟打磨后的塑料瓶表面水基本没有生成表面水珠，而经5分钟打磨后的塑料瓶则完全没有表面水珠。由此可见，光滑的表面拥有更好的冷凝水积攒效率，粗糙的表面则不易积攒冷凝水。

图4 经瓶子表面反复滚动后的三张砂纸（从左到右依次被塑料瓶1，2，3所滚动）

图4展示了擦拭不同瓶体表面水珠之后的不同砂纸。通过观察其被浸湿区域的大小，我们可以大致得知不同塑料瓶的冷凝水收集效率。如图所示，垫在未经打磨的塑料瓶下的砂纸被浸湿的区域最大，因此冷凝水收集效果最好；垫在经一分钟不均匀打磨的塑料瓶下的砂纸的被浸湿区域其次小，因此其收集效率处于其他两个瓶子之间；而垫在经两分钟均匀打磨的塑料瓶下的砂纸完全没有水分，因此其具有最差的收集效率。由此可见，塑料瓶的表面越粗糙，其越不易收集冷凝水。

总结：本研究通过将处于低温环境下具有不同表面粗糙度的塑料瓶表面生成的冷凝水数量进行比较以及对接触角进行测量，发现了越粗糙的塑料瓶越不易产生冷凝水且更容易使其表面水珠快速脱落，解决了塑料瓶在实际应用中的安全问题和卫生问题，有望在塑料瓶的生产与加工领域应用。

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