本发明专利技术公开了一种测试本征接触角的装置和测试方法，采用真实液滴法或图像拟合法拟合Young-Laplace方程的测试动态接触角，并进而利用Wenzel-Cassie-Baster模拟推导出本征接触角计算公式，并提供一种适用于本征接触角测试的装置，该装置由一个蜗轮蜗杆结构的旋转机构控制的镜头与样品台一起旋转的组合体、可XYZ以及水平调整的样品台组合体、样品夹具、注射泵及其XYZ控制机构组合体、带远心镜头的摄像机和平行光源组成，通过拍摄液滴的轮廓图像后，采用拟合Young-Laplace方程测试得到接触角值，该装置和测试方法可以分析材料化学各向异性和表面粗糙等造成的接触角滞后情况下的本征接触角值，在新材料、仿生材料等研究等领域具有极广的推广价值。
【技术实现步骤摘要】
本专利公布一种采用真实液滴法或图像拟合法拟合Young-Laplace方程测试动 态接触角，提供一种利用Wenzel-Cassie-Baster模拟推导出来的本征接触角计算公式，来 测试固_液本征接触角的测试方法和一种适用于本征接触角测试的装置，属于界面化学分 析
技术介绍
液-液界面张力、液-气表面张力以及固-液接触角值等基本指标是表征物质 物理化学性质的基本参数，接触角是指在固体水平平面上滴上一小滴液滴，固体表面上的 固一液一气三相交界点处，其气_液界面和固-液界面两切线把液相夹在其中时所形成的 角度，见附图1。接触角测试是分析固_液界面物理化学性质的最主要手段，由于材料化学 各向异性和表面粗糙等造成的接触角滞后，目前文献以及相关研究中通常使用的停滴和称 重法浸湿天平技术，均只能测试固-液的表观接触角值，无法准确表征其真实的接触角情 况，我们称之为本征接触角值。 在本征接触角的测试过程中，通常会采用一种将固体样品倾斜，测试倾斜时受重 力影响条件下的动态接触角值，而完成此类测试的机构主要分为两类：其一，采用将样品台 垂直转动，镜头(连接有相机）不转动的方式；这种方法要求所滴水滴必须保持在转动轴的 中心位置，否则液滴很容易移动，且在软件算法上，必须通过坐标转换完成计算，软件计算 时间较长；其二，采用将整个仪器旋转的方式，这种方式在目前主流商业仪器中有体现，其 缺点非常明显，由于采用一机械结构为通常的皮带或齿轮转换，机械结构的控制精度不高、 径向晃动量非常大，非常不利于滚动情况下动态接触角测值；同时由于整机的重量非常大， 控制起来非常不方便。 目前，接触角和界面张力测试仪器通常均是标准设计的仪器，有提及动态接触角 测试的机构，但如上所述，其特点在于仅仅垂直向转动样品台，或通过整机转动来实现测试 目的；且在具体接触角的测试以及最终本征接触角的算法上均未有描述。如现有专利资料 库中《基于高速图像处理的液体表界面动态特性测量分析仪》专利号=200610050811. 8和 200620103753. 6,《一种静态接触角的自动检测方法》专利号201010288857. X，《接触角及表 面能测量装置》专利号=201010600278. 4,《测量接触角装置》专利号：200710142656. 7,《一 种自洁玻璃接触角的在线测量方法》专利号=200710008521. 1等。 在接触角和界面张力的算法上，中国专利资料有部分提及的内容与本专利技术的内 容上有一定的相似，但在具体
技术实现思路
的实现上存在较大差异。如，《一种固体表面液滴 接触角的测量方法及装置》专利号=200910136101. 0,在具体实现方式上，该专利采用了 Young-Laplace方程的改写的有离散的二阶偏微分方程求解曲线并采用打靶法拟合接触角 角度值的，仅仅提出了一个简单的液体接触角测试的Young-Laplace方程拟合的概念，具 体实施过程的可能不高。中国专利ZL201210566095. 4《基于液滴轮廓曲线四测量点的液体 界面张力的测量方法》中提出了一种基于液滴轮廓曲线四测量点的液体界面张力的测量方 法，该方法是采用图像采集设备摄制液滴在辅助测试平台上表面上铺展的图片或液滴悬挂 于水平放置的轴对称辅助支承表面下的图片，对图片进行处理提取液滴轮廓曲线；在液滴 轮廓曲线上选取四个测量点，测量相邻测量点间的坚直距离、每个测量点处过测量点的水 平线与液滴轮廓曲线的交点间的距离、每个测量点处的液滴轮廓曲线的切线与水平线之间 的夹角；根据液滴轮廓曲线计算出与四个测量点相关的液体体积；根据公式计算出液体的 界面张力，算法中仅仅是对轮廓部分进行了几何换算。ZL201210594516.4《一种静态接触 角的计算方法》提出了一种基于Young-Laplace方程仿真产生不同体积和接触角的液滴边 缘；计算仿真产生的液滴边缘的接触角，进而获得计算所得接触角、液滴体积与真实接触角 的关系；拍摄真实液滴图像，计算图像的接触角；根据计算所得接触角、液滴体积与真实接 触角的关系以及实际图像的接触角，采用插值法或类似方法获得准确的接触角，这是一种 简单的应用，而没有涉及具体的算法。 作为光学法界面化学分析的一种方法，影像分析法界面化学分析技术在世界上 有类似技术，通常以Young-Laplace方程拟合的形式出现。但由于算法和计算机发展影 响很大，这些Young-Laplace拟合或采用Bashforth-Adams查表法或简单的经验求解 (以 Bashforth. F、Adams. J. C、Andreas、S. Hart land 等为代表，或米用基于 DS/DE 或少 数点（30°、45°、60°角度值）坐标比值的Select plane快速界面张力测试的算法（以 Springer、F. K. Hansen等为代表)，或采用ALFI算法并以经验假设的简单影像分析法（以 Rotenberg、A. W. Neumann、0.1 . del. RI0为代表)，均有明显缺陷，与本专利提及的完全真 实液滴轮廓（RealDropA. W. Neumann团队提出了一种ADSA-NA的技术，可用于测试有针头 情况下的动态接触角，其主要特点在于测试没有顶点情况下的接触角值，核心解决方案 是通过接触点位置拟合多项式曲线得到初始接触角值，再利用ALFI或相类似算法拟合 Young-Laplace方程。且其对方程进行了反向计算的变换，这种算法与本专利先拟合得到顶 点再由拟合的顶点利用接触点水平位置以上一定区域内的Young-Laplace曲线仅受固体 能量影响的特性，拟合部分真实液滴轮廓的方式采用的公式以及算法均不一样。 国外专利中，日本专利JP63210748A《接触角杉J： tz界面張力〇自動測定方法》提 出一种基于宽高法计算接触角值的方法与本专利有明显区别；美国专利US5615276《METH0D OF MEASURING LOW INTERFACIAL TENSION BY PENDANT DROP DIGITIZATION》中，提出了一 种Young-Laplace求解得出界面张力和接触角的方法，其采用的核心算法与F. K. Hansen 等人相同，是基于Select Plane算法下的Young-Laplace拟合技术，所以，与本专利所提 及的算法有区别。美国专利 US5479816《CAPTIVE DROPLET INTERFACIAL TENSIOMETER AND METHODS OF USE THEREOF》提出了一种非常特殊的Young-Laplace方程的解法，与 本专利提及的解决法完全不一样。而其他专利如US4688938、US4953389、US5080484、 US5115677、US5143744、US5394740、US7952698B2、US2003/0049863/A1、US2005/0012894/ A1、W00122058A1、US8151635B2、US4942760均是一些特殊的接触角测试装置和应用，与本专 利的创新点完全不同。 中国专利ZL200910034768.X《一种控温湿同步测量液滴本文档来自技高网...
【技术保护点】
综合了通用条件和垂直旋转样品台的情况下影像法接触角的装置，其特征在于，包括：电气控制箱，具有步进电机控制的光学旋转平台，具有微分头控制的一维俯仰调整平台，LED平行光源，具有微分头控制的二维水平调整台，具有步进电机控制的直顶式注射泵（含有微量进样器及可拆卸针头），具有步进电机控制的一维光学平移台，支架，轴承，具有微分头控制的一维俯仰调整平台，远心镜头，镜头固定环，摄像机，支架，传动支架，具有步进电机控制的一维光学平移台，具有步进电机控制的一维光学平移台，具有微分头控制的一维升降光学平移台，水平调整脚，相机支架，通过控制电气箱与计算的USB2.0通讯协议完成双向沟通或手动控制具有步进电机控制的光学旋转平台，带动与之相连的传动支架，控制摄像机、远心镜头和样品台XYZ水平调整组合体一起旋转；电气控制箱设置于机架一端，机架下方设置有四个水平调整脚，电气控制箱的内侧于支架上设置有具有步进电机控制的光学旋转平台，具有步进电机控制的光学旋转平台与电气控制箱内的步进电机联接，具有步进电机控制的光学旋转平台上设置有具有微分头控制的一维俯仰调整平台和LED平行光源，具有步进电机控制的光学旋转平台通过三个传动支架连接至机架另一端上的轴承，三个传动支架中中部的传动支架上设置有具有步进电机控制的一维光学平移台，具有步进电机控制的一维光学平移台上连接有具有微分头控制的一维升降光学平移台，具有微分头控制的一维升降光学平移台上方有可拆卸针头，可拆卸针头上连接有微量进样器，可拆卸针头固定于具有步进电机控制的直顶式注射泵上，具有步进电机控制的直顶式注射泵固定于具有步进电机控制的一维俯仰调整平台，具有步进电机控制的一维俯仰调整平台固定于支架上，支架上的轴承内穿有具有微分头控制的一维俯仰调整平台，具有微分头控制的一维俯仰调整平台上设置有远心镜头，远心镜头通过镜头固定环连接摄像机；为了防止旋转过程中样品台与注射泵出现干涉，注射泵与主体连接部分设计了一个可翻转机械结构，在旋转过程中，将注射泵向上90度翻转，为了提高注射泵的控制方便性，设计了一个注射泵XY控制结构，包括：具有微分头控制的一维光学平移台，具有微分头控制的一维光学平移台，两个具有微分头控制的一维光学平移台呈垂直分布。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：施建辉，
申请(专利权)人：上海梭伦信息科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31
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