顶级学术刊物发文 涂料干燥的原理并不是你想象的那样！

违反直觉，涂料在干燥环境下并不会干的更快！

根据常识，水在干燥环境下的蒸发过程会更加迅速。因此，人们通常直觉地认为像涂料这样的聚合物溶液在干燥的环境中也会蒸发得更快。实际上，当涂料变干时，可能会在界面处迅速形成一层“表皮”，影响涂料蒸发的速率。“表皮”的存在可能会引起漆面的弯曲或产生气泡，降低漆面的喷涂质量。为了研究类似聚合物溶液的蒸发现象，2017年，法国波尔多大学的Salmon提出了相关理论：每当溶剂从大分子溶液中蒸发时，会将聚合物分子牵引向界面，并逐渐形成致密层。该理论预测，由于致密层的存在，无论周围环境是干燥还是潮湿，溶剂的蒸发速率都将保持不变（图1）。目前，该理论尚未通过实验验证。

图1. 水的蒸发过程（左）以及理论预测的聚合物溶液的蒸发过程。

在此背景下，爱丁堡大学Simon Titmuss等人通过实验揭示了聚合物溶液中溶剂的蒸发速率可以独立于环境湿度。实验结果表明，水的蒸发会将聚合物分子推向表面，在表面形成一层致密层，使溶液表面的蒸发过程免受环境湿度的影响。该现象和相关理论有望用于研究呼吸道飞沫蒸发的速度，从而有助于解释病毒感染的季节依赖性。该工作以题为“Evaporation of Concentrated Polymer Solutions Is Insensitive to Relative Humidity”的论文发表在最新一期《Physical Review Letters》上。

实验装置以及聚合物溶液在不同湿度下的蒸发速率

作者搭建了如下实验平台来测量PVA溶液在不同湿度下的蒸发速率（图2a）。作者在一个装满溶液的圆柱形塑料容器壁上钻了五个孔，并在每个孔上连接一根矩形玻璃毛细管，水平延伸远离水箱，其内部横截面为0.2×4 mm。水箱中装有PVA溶液。为了确保蒸发只发生在管子的末端，溶液的上表面覆盖了一层油层。整个装置放置在天平上，并置于一个湿度可控的腔体里。作者在25%至90%范围内改变湿度，并监测水箱中损失的水量。

在每个实验中，蒸发速率最初保持恒定，持续约三个小时。然后，正如Salmon的理论预测结果，因为在溶液-空气界面处形成了聚合物层，蒸发速率开始下降。然而，现有理论与以下两个观察结果不符。首先，在聚合物层形成之前，早期的恒定蒸发速率并没有随着湿度的增加而降低。其次，在最初的三个小时后，虽然蒸发率如预期的那样下降，但仅当湿度值低于80%时，蒸发率才与环境湿度无关（图2c）。在较高的湿度下，蒸发率仍然会随着湿度的增加而降低，这表明其他力也在起作用。

图2. 实验装置以及聚合物溶液在不同湿度下的蒸发速率。

溶液-空气界面的聚合物层

作者在显微镜下检查了玻璃管末端的液面，发现在溶液的最外表面是一层已经发生屈曲的凝胶层。而在凝胶层下方覆盖着一层更薄的弹性聚合物层，两者的结合进一步降低了水分子到达液面的能力。当薄膜处于较大的压缩应力下时，这种屈曲行为是柔性基底上刚性薄膜的常见情况。该实验观测结果也解释了为何实验测得的蒸发速率总是比理论预测结果要快一些，这可能是由于聚合物表层从玻璃壁屈曲分层后，为空气的进入提供了平行路径，导致实际情况下的聚合物层比完整的极化层具有更高的渗透性。

图3. 水-空气界面处的聚合物层。

不同环境湿度下蒸发速率与时间的依赖性关系

作者最后比较了实验结果和理论预测中不同环境湿度下蒸发速率与时间的依赖性关系（图4）。根据理论预测，在聚合物层形成之前，蒸发速率应该是与纯水基本一致的常数，并随着相对湿度线性下降。实验结果（实线）和理论预测（虚线）在两个方面存在差异。首先，蒸发速率在短时间内似乎随相对湿度随机变化，而不是随对湿度逐渐下降。这种分散性表明在早期阶段，蒸发速率可能与相对湿度无关。其次，实验观察到的蒸发速率开始下降的“拐点”发生在越104s左右，而理论预测的“拐点”会随着相对湿度的增加而向后推移。

 图3. 不同环境湿度下蒸发速率与时间的依赖性关系。

小结

该工作发现PVA-水混合物的蒸发速率几乎与环境相对湿度无关，且具有早期蒸发速率恒定和后期蒸发速率下降的规律。后期的蒸发速率下降与空气-水界面聚合物极化层形成的理论模型预测结果一致。实验结果表明，PVA的空气-水界面凝胶化过程导致了蒸发速率对相对湿度不敏感。这些发现可能对研究含病原体的呼吸道飞沫的蒸发行为具有重要意义 。

文章链接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.248102