一种具有新型液体分配方法的接触角测量方法及其装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种具有新型液体分配方法的接触角测量方法，其特征在于：通过基于注射泵的加液装置在待测固体试样表面通过非接触液体分配方式形成一定体积的液滴，将由摄像机抓拍到的、在光源照明下的液滴图像进行分析、测量、计算得到液滴在该固体试样表面的接触角。本发明专利技术中的测量方法步骤简洁，所用装置应用范围广，结构简单易于维护，测量自动化程度高。此外，本发明专利技术中的装置功能丰富，还可用于基于悬滴分析法的表面/界面张力的全自动测量等应用。

A new method of measuring contact angle with a new method of liquid distribution and its device

The invention discloses a measurement method with new liquid distribution method of contact angle, which is characterized by comprising a liquid adding device based on injection pump in the liquid droplet solid sample measured by non-contact surface to form a volume of liquid distribution, the liquid droplet images in light illumination were captured by the camera, analysis, measurement, calculation of droplets on the surface of the solid sample contact angle. The measuring method in the invention has the advantages of simple steps, wide application range, simple structure, easy maintenance and high degree of automation. In addition, the device has abundant functions in the invention, and can also be applied to the automatic measurement of surface / interface tension based on the suspended drop analysis.

【技术实现步骤摘要】
一种具有新型液体分配方法的接触角测量方法及其装置
本专利技术涉及一种接触角测量方法及装置，特别是一种具有新型液体分配方法的接触角测量方法及其装置。
技术介绍
在众多的表面/界面测量、表征的方法中，液体在固体表面的接触角测量技术作为一种表面分析、表征技术，具有仪器设备相对简单、价格相对低廉、操作方便、测量条件接近实际使用环境、获得信息量大等诸多优点，所以近年来，这些测量方法被广泛地应用于基础理论研究、新产品的研发和工业生产领域的质量控制,对这类仪器的需求量也逐年增加。测量液体在固体表面的接触角，其基本步骤是在固体表面形成一个一定体积的液滴(座滴，sessiledrop)，然后通过对液滴图像(侧面或俯视图像)的形状分析和计算获得接触角，由接触角的值可以进一步计算获得固体表面能等相关物理量。现有的座滴形成方法主要包括接触式加液法和非接触式加液法。接触式加液法是一种通过液体与样品表面的接触实现液体转移从而在样品表面形成液滴的方法，具体又可分为二种方式：一是让形成液滴的针管(或毛细管)首先在离开固体表面一段距离(比如3-10mm)的位置，通过控制加液量，在针管下端口形成一个指定体积的悬滴，然后通过相对移动，让悬滴接近样品表面，通过悬滴下端与样品表面的接触而将悬滴转移到样品表面上形成一座滴。在开始进行测量前或后，再通过相对移动让针管(或毛细管)与样品表面分开。另一种方式首先通过相对移动，让形成液滴的针管(或毛细管)的下端口靠近样品表面但不接触，然后开始逐渐挤出指定量的液体。挤出的液体在针管(或毛细管)下端口形成一逐渐增大的液滴(悬滴)，并与样品表面发生接触而在其上面形成一座滴。但在测量开始前，一般需要再将针管(或毛细管)从样品表面或形成的座滴中通过相对移动移开/出，以避免针管(或毛细管)的存在对测量结果的影响，除非正通过液滴体积增减法进行液体在固体表面动态前进/后退接触角的测量。由以上内容可以看出，这两种接触式加液方式都需要多步细微的操作，这些操作不仅对设备有较高的要求(设备需要配置相应的线性移动单元)，而且耗时费力，降低工作效率，阻碍了测量过程的自动化。除此之外，接触的方式有可能导致液体或针管被样品表面污染，影响测量结果。非接触式加液，即不通过接触实现液体转移的一种方式。现有的较为常用的一种非接触式加液原理是通过对液体加压或挤压的手段赋予液体足够的(动)能量，并结合微型阀控制液体的流出，使其在针管/喷嘴出口形成液滴或液流(jet)并“飞”(流)离针管/喷嘴出口到达待测物体表面。液体的流出体积是由出口的微型阀的打开时间(或打开/关闭时间模式)和对液体所施加的压力来调节和控制。当把液体抵达固体表面时的动能控制在一定范围内时，通过非接触式加液测得的(静态)接触角值基本上与传统的接触式加液测量方法所测值一致。这种非接触式加液解决了接触式加液操作繁琐和污染风险的问题，但是这种加液方式(包括采用压电元件的其它非接触加液方法)受到单向加液特性限制，它只能输出(液体)，不能回吸，应用范围较窄。更重要的是，这种加液装置的液滴体积还受到多种因素(如液体纯度、温度和压力等)的影响，加液装置无法精确直接指定液滴的体积，而必须运用待测液体进行事先校正。与静态接触角相比，动态接触角的测量结果能够提供更全面的有关固体表面润湿属性的信息。目前最常用的动态接触角的测量方法(之一)是液滴体积增大/缩小法，即通过加液装置持续地输出/回吸液体来缓慢地改变待测固体表面上座滴的体积。因此，这种不能回吸液体的非接触式加液方式就无法通过液滴体积缩小来测量动态接触角中的后退接触角。同时，现有的光学接触角测量仪还兼具测量液体表面/界面张力的功能。然而测量表面/界面张力需要在针管端口形成悬滴，并在测量过程中控制悬滴的体积。这种非接触式加液方式同样无法做到这一点。这也就意味着它的测量模式单一，对仪器的性能和功能有着不小的浪费。因为包含了液体加压装置和微型阀等部件，采用这种加液方式的测量装置比起接触式测量装置更加复杂，也更难维护或清洗。综上，寻找一种操作简单易于自动化的检测方法以及对应的结构比较简单，应用范围广的测量装置是目前本领域技术人员急需解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提供一种具有新型液体分配方法的接触角测量方法及其装置。本专利技术可以采用非接触式加液模式来大大简化接触角以及相关液/流/固-润湿特征参数的测量操作步骤，提高了测量的速度，减少了测量的工作量，有利于进一步提高测量的自动化程度。本专利技术具有双向加液功能，同样可以用于通过液滴体积增大/缩小过程进行动态前进/后退接触角的测量和通过准确控制悬滴体积进行液体表面/界面张力(包括动态表面张力)的全自动、长时间测量，以及液体表面粘单性模量的测量等应用。除此之外，本专利技术装置还具有结构简单、易于维护、加液可重复性好的特点。本专利技术的技术方案：一种具有新型液体分配方法的接触角测量方法，其特征在于：通过基于注射泵的加液装置在待测固体试样表面通过非接触的液体分配方式形成一定体积的液滴，将由摄像机抓拍到的、在光源照明下的液滴图像进行分析、测量和计算得到液滴在该固体试样表面的接触角。前述的一种具有新型液体分配方法的接触角测量方法中，所述的加液装置的最高加液速度不低于27-85μl/s。前述的一种具有新型液体分配方法的接触角测量方法中，所述最高加液速度计算过程如下：液体密度ρ，表面张力γ，粘度η，流出针管或喷嘴时的速度ν和特征长度D，它们与表征液体流出形式的Weber数(We)的关系如下：当We大于临界参数参考值E时，液体具备足够的动能能够自行飞离针管或喷嘴的出口，也就是说，此时基于注射泵的加液装置可以进行非接触式加液；对于粘度η小于参考值F的液体，明确所需的液体特征长度D后，根据已知的液体密度ρ，表面张力γ，粘度η和参考值E，计算出流出针管时的速度ν，进一步换算为加液速度；对于粘度η大于参考值F的液体，明确所需的液体特征长度D后，根据已知的液体密度ρ，表面张力γ，粘度η，引入修正参数On，On与上述值的关系如下：使用On对前述参考值E进行修正，修正关系如下：E＝12·(1+1.07×On1.6)根据修正后的参考值E计算出流出针管时的速度ν，进一步换算为加液速度。前述一种具有新型液体分配方法的接触角测量方法中，所述加液装置具有双向加液功能；在加液速度较低时，加液装置可进行接触式加液。前述述的一种具有新型液体分配方法的接触角测量方法中，从测量获得的接触角值或液滴的接触角面积可以进一步计算得到固体表面能等表征固体表面和固液界面属性的参数。实现如前述的一种具有新型液体分配方法的接触角测量方法的装置，包括底座，底座上依次设有背景光源、平台调节装置和支架；所述平台调节装置上端设有样品平台；所述支架上端设有横梁，横梁末端设有第一上下调节装置，第一上下调节装置上设有加液装置；支架中部设有摄像装置；所述摄像装置和加液装置各自经线缆连接到计算机。实现如前述的一种具有新型液体分配方法的接触角测量方法的装置中，包括底座，底座上设有平台调节装置，平台调节装置的侧旁设有支架；所述平台调节装置上端设有样品平台；所述支架上端设有横梁，横梁末端设有第二上下调节装置，第二上下调节装置上设有摄像支架，摄像支架内从上到下设有摄像装置和同轴光源，摄像支架的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有新型液体分配方法的接触角测量方法，其特征在于：通过基于注射泵的加液装置在待测固体试样表面通过非接触的液体分配方式形成一定体积的液滴，将由摄像机抓拍到的、在光源照明下的液滴图像进行分析、测量和计算得到液滴在该固体试样表面的接触角。

【技术特征摘要】
1.一种具有新型液体分配方法的接触角测量方法，其特征在于：通过基于注射泵的加液装置在待测固体试样表面通过非接触的液体分配方式形成一定体积的液滴，将由摄像机抓拍到的、在光源照明下的液滴图像进行分析、测量和计算得到液滴在该固体试样表面的接触角。2.根据权利要求1所述的一种具有新型液体分配方法的接触角测量方法，其特征在于：所述的加液装置的最高加液速度不低于27-85μl/s。3.根据权利要求1所述的一种具有新型液体分配方法的接触角测量方法，其特征在于：所述最高加液速度计算过程如下：液体密度ρ，表面张力γ，粘度η，流出针管或喷嘴时的速度ν和特征长度D，它们与表征液体流出形式的We数的关系如下：当We大于临界数值参考值E时，液体具备足够的动能能够自行飞离针管或喷嘴的出口，也就是说，此时基于注射泵的加液装置可以进行非接触式加液；对于粘度η小于参考值F的液体，明确所需的液体特征长度D后，根据已知的液体密度ρ，表面张力γ，粘度η和参考值E，计算出流出针管时的速度ν，进一步换算为加液速度；对于粘度η大于参考值F的液体，明确所需的液体特征长度D后，根据已知的液体密度ρ，表面张力γ，粘度η，引入修正参数On，On与上述值的关系如下：使用On对前述参考值E进行修正，修正关系如下：E＝12·(1+1.07×On1.6)根据修正后的参考值E计算出流出针管时的速度ν，进一步换算为加液速度。4.根据权利要求1或2所述一种具有新型液体分配方法的接触角测量方法，其特征在于：所述加液装置具有双向加液功能；在加液速度较低时，加液装置可进行接触式加液。5.根据权利要求1至4任一权利要求所述的一种具有新型液体分配方法的接触角测量方法，其特征在于：从测量获得的接触角值或者液滴的接触面积可以进一步计算得到固体表面能等表征固体表面和固-液界面属性的参数。6.采用权利要求1至5任一权利要求所述的接触角测量方法的装置，其特征在于：包括底座(100)，底座(100)上依次设有背景光源(200)、平台...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋碧海，宋少佩，
申请(专利权)人：宁波新边界科学仪器有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33