一种定量测定固体表面与气泡或液滴之间迟滞力的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于物理化学测量仪器领域，具体涉及一种定量测定固体表面与气泡或液滴之间迟滞力的装置及方法。该装置包括固定式样品台、摄像机、光源、进样器，套筒致动装置，推杆致动装置。其中，所述进样器呈注射器形式，具有套筒、与套筒相连通的针头和插入套筒中的活塞推杆；所述针头为弯曲针头或直针头；其中，所述摄像机的镜头中心、所述光源中心、所述样品台上放置样品的位置中心设置在同一直线上。本发明专利技术首次计算出固体表面与气泡之间的迟滞力，解决了以往实验操作难以精确定量测量的问题。本装置操作简单方便，准确度高，并且不需要耦合到更多的软件仪器上，更加具有普适性，易于推广。

A Device and Method for Quantitative Measurement of Hysteresis Force between Solid Surface and Bubble or Droplet

【技术实现步骤摘要】
一种定量测定固体表面与气泡或液滴之间迟滞力的装置及方法
本专利技术属于物理化学测量仪器领域，具体涉及一种定量测定固体表面与气泡或液滴之间迟滞力的装置及方法。
技术介绍
气液固三相界面涉及界面结构的设计以及气液在固体界面行为的研究，在众多领域有广泛应用，比如在化工三相传质，光电催化，环境保护等领域。三相界面的浸润性对于气体、液体在固体表面的附着行为有重要影响，不管是基于工业应用还是基础研究，对于界面浸润性的研究在近年来得到了前所未有的关注，特别是对于水下粘附在固体界面气泡行为的研究。比如，一些涉及气体参与的电化学反应，由于气泡在电极界面的大量粘附，不仅阻隔了电极催化剂的活性位点，也抑制了电解质在电极界面的有效传输扩散，导致反应效率显著降低。在环境领域，工业上有毒气体的排放严重污染空气及水源质量，在收集有毒气体及以泡沫浮选方式处理废水时，经常面临气泡与固体界面附着性好坏的问题，这关系到环境污染能否能得到有效的治理。另外，探讨液滴在固体表面的附着行为在诸多领域具有实用价值，例如研究农药喷洒的适用效果和疏水膜的制备领域。然而，实现对固体界面粘附气泡或液滴的有效剥离或气泡或液滴在固体界面的快速附着收集往往需要对界面的浸润性有清楚的判断及对气泡或液滴的粘附行为有深刻的理解。接触角作为衡量界面浸润性一个重要的基本元素，可以定义界面的亲疏水性。然而，作为衡量界面浸润性的表观接触角往往随机的坐落在前进和后退接触角之间，导致了对于界面浸润性评估的不确定性，精确表征界面浸润性的问题一直尚未解决。再者，除了实现对固体界面浸润性的准确评估之外，深入的理解气液在固体界面的附着行为，可以有效的指导三相界面的设计等问题。比如，在一些消耗气体的反应中，以将气泡附着在固体表面作为反应的先决条件，通常需要将固体表面亲气化处理，然而具体什么程度的亲气化处理才是最有利于反应进行并且效率最高的问题一直以来并没有得到回答。因此，若能定量表征出固体与气泡或液滴之间的粘附作用力，即可以解决合理的界面浸润性修饰程度及界面浸润设计等问题。界面化学领域，通常利用迟滞力来表示固体与气泡或液滴之间的粘附作用力。迟滞力定义为三相接触界面发生相对运动或有相对运动的趋势时，在三相接触界面上产生的阻碍相对运动的力。传统的测量液滴与固体界面之间的迟滞力的方法是将液滴滴在固体界面上，然后将一个毛细管插入到液滴中，匀速移动固体直至毛细管刚好被移出液滴界面，记录毛细管的位置偏移，测量其迟滞力。但是，毛细管法测量液滴与固体界面之间的迟滞力是受液滴重力、黏度、固体界面的移动速度因素等影响的，由于液滴跟气泡本质的差异及周围的环境(气泡周围是液体，液滴周围是空气)的不同，利用毛细管法测量气泡与固体界面之间的迟滞力是非常困难的。因此，如何测量气泡与固体表面之间的迟滞力，一直是本领域亟待解决的问题。本专利技术创造性的提供了一种定量测定固体表面与气泡之间迟滞力的装置及方法。同样，该装置及方法也适用于定量测定固体表面与液滴之间迟滞力，比之前的毛细管法更加精确，避免了仪器成本高，操作复杂，系统误差大等缺点。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种定量测定固体表面与气泡或液滴之间迟滞力的装置及方法。本专利技术的目的通过以下技术方案予以实现：本专利技术第一方面公开了一种定量测定固体表面与气泡或液滴之间迟滞力的装置，所述装置包括：固定式样品台、摄像机、光源、进样器，套筒致动装置，推杆致动装置，其中，所述进样器呈注射器形式，具有套筒、与套筒相连通的针头和插入套筒中的活塞推杆；所述针头为弯曲针头或直针头；其中，所述摄像机的镜头中心、所述光源中心、所述样品台上放置样品的位置中心设置在同一直线上；所述套筒致动装置能够控制所述进样器针头端部与所述样品台之间的距离；所述推杆致动装置能够控制所述进样器中气体或液滴挤出的量。优选的，在测量固体表面与气泡之间迟滞力时，所述样品台为透明石英缸，其内充满液体，所述进样器的针头进入透明石英缸内部，即样品台上放置样品的位置暴露在液体中。优选的，在测量固体表面与液滴之间迟滞力时，所述样品台为透明石英缸，其内充满气体，所述进样器的针头进入透明石英缸内部，即样品台上放置样品的位置暴露在气体中。优选的，在测量固体表面与液滴之间迟滞力时，所述样品台上放置样品的位置暴露在空气中。优选的，所述进样器为微量进样器。优选的，所述直针头用于测定固体表面与液滴之间迟滞力时使用，所述弯曲针头用于测定固体表面与气泡之间迟滞力时使用。本专利技术第二方面公开了一种定量测定固体表面与气泡或液滴之间迟滞力的方法，利用第一方面所述的装置测量，包括以下步骤：(1)在所述样品台上固定固体样品，调整所述进样器的针头的位置使其向该固体样品待测表面种植一个一定体积的气泡或液滴，并且所述进样器的针头保持插入在所述气泡或液滴内；调节所述推杆致动装置，带动所述进样器的活塞推杆持续原位增大所述气泡或液滴的体积，直到气液固三相接触线发生变化，所述摄像机记录所述气泡或液滴大小变化，测量其前进接触角θa；其中，前进接触角θa定义为增大后的气泡在三相接触点的气液界面与固气界面之间的夹角；或定义为增大后的液滴在三相接触点的气液界面与固液界面之间的夹角；然后使用接触角测量软件标定其大小；调节所述推杆致动装置，带动所述进样器的活塞推杆持续原位减小所述气泡或液滴的体积，直到三相接触线发生变化，所述摄像机记录气泡或液滴大小变化，测量其后退接触角θr；其中，后退接触角θr定义为减小后的气泡在三相接触点的气液界面与固气界面之间的夹角；或定义为减小后的液滴在三相接触点的气液界面与固液界面之间的夹角；然后使用接触角测量软件标定其大小；(2)根据公式计算所述固体样品表面与气泡或液滴之间的前进迟滞力fa；根据公式计算所述固体样品表面与气泡或液滴之间的后退迟滞力fr；其中，θi为理想接触角，θi＝(θa+θr)/2，δ为迟滞角，指液滴或气泡前进接触角与后退接触角之差的平均值，δ＝(θa-θr)/2；γlg为液气表面张力；是已知量，根据实验条件可知；所述前进迟滞力fa或者后退迟滞力fr为固体表面与气泡或液滴之间的迟滞力。优选的，步骤(1)中，所述第一体积为0.5uL-5uL范围内的某一值。优选的，步骤(1)中，在所述固体样品待测表面种植一个一定体积的气泡时，所述固体样品的待测表面朝上或者朝下。优选的，步骤(1)中，在所述固体样品待测表面种植一个一定体积的液滴时，所述固体样品的待测表面朝上。其中，还可以将所述前进迟滞力fa、所述后退迟滞力fr、所述迟滞角δ和所述理想接触角θi结合分析固体表面与气泡或液滴之间的粘附程度。本专利技术原理如下：以实施例4，图4为例。如图4b所示，理想状态下，气泡处于平衡状态，符合杨氏方程γlgcosθi+γgs＝γls。其中，γlg为液气表面张力，γgs为气固表面张力，γls为液固表面张力。此方程决定了唯一的理想接触角θi。然而，在真实的多数情况下，钉扎在固体表面的气泡总是处于亚稳态的状态，经典的杨氏方程不再是适用的。因此，为了平衡因气泡的前进和后退导致的接触角变化而引起的破坏了的力平衡状态，固体表面与气泡之间必有一个力作用在三相接触点，平行于固体表面，即迟滞力，也可理解为摩擦力。如图4a和4c所示，前进过程产生的角定义为前进接触角θa及本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种定量测定固体表面与气泡或液滴之间迟滞力的装置，其特征在于，所述装置包括：固定式样品台、摄像机、光源、进样器，套筒致动装置，推杆致动装置，其中，所述进样器呈注射器形式，具有套筒、与套筒相连通的针头和插入套筒中的活塞推杆；所述针头为弯曲针头或直针头；其中，所述摄像机的镜头中心、所述光源中心、所述样品台上放置样品的位置中心设置在同一直线上。

【技术特征摘要】
1.一种定量测定固体表面与气泡或液滴之间迟滞力的装置，其特征在于，所述装置包括：固定式样品台、摄像机、光源、进样器，套筒致动装置，推杆致动装置，其中，所述进样器呈注射器形式，具有套筒、与套筒相连通的针头和插入套筒中的活塞推杆；所述针头为弯曲针头或直针头；其中，所述摄像机的镜头中心、所述光源中心、所述样品台上放置样品的位置中心设置在同一直线上。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在测量固体表面与气泡之间迟滞力时，所述样品台为透明石英缸，其内充满液体，所述进样器的针头进入透明石英缸内部。3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在测量固体表面与液滴之间迟滞力时，所述样品台为透明石英缸其内充满气体，所述进样器的针头进入透明石英缸内部。4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在测量固体表面与液滴之间迟滞力时，所述样品台上放置样品的位置暴露在空气中。5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述进样器为微量进样器。6.一种定量测定固体表面与气泡或液滴之间迟滞力的方法，其特征在于，利用权利要求1所述的装置测量，包括以下步骤：(1)在所述样品台上固定固体样品，调整所述进样器的针头的位置使其在所述固体样品待测表面种植一个一定体积的气泡或液滴，并且所述进样器的针头保持插入在所述气泡或液滴内；调节所述推杆致动装置，带动所述进样器的活塞推杆持续原位增大所述气泡或液滴的体积，直到气液固三相接触线发生变化，所述摄像机记录所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙晓明，陈凡红，邝允，盛思雨，许海军，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11