测量电场下固液界面间粘附力的测量装置及测量方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种测量电场下固液界面粘附力的测量装置及测量方法，包括：透明塑料操作柜、水平底座、激光传感器、电动位移平台、悬臂梁、高速摄像头、支撑架、电源以及数据控制处理终端。在测量过程中，随着电动位移平台的缓慢移动，由于悬臂梁与液滴的粘附力的作用，悬臂梁发生变形，通过激光传感器记录下实验中悬臂梁变形的具体数值，便可计算出电场下固液之间的粘附力。同时，高速摄像机拍摄整个实验过程，记录液滴的上下表面接触角及接触面积的变化。该测量系统具有操作简单、成本低廉、适用范围广、测量精度高的特点，能很好的满足测量电场下固液界面之间粘附力的要求。

【技术实现步骤摘要】
测量电场下固液界面间粘附力的测量装置及测量方法
本专利技术涉及到一种测量电场下固液界面粘附力的测量装置及测量方法，具体涉及到利用激光测量悬臂梁的微小变形，通过悬臂梁变形与固液界面行为之间的关系计算出电场下固液界面粘附力。
技术介绍
固液界面行为在生产生活中具有极为重要的作用。通过研究固液界面行为，能在航天航空、船舶制造、纺织、建筑、环保等领域实现抗污、抗结冰、抗粘附、自清洁、吸附等功能。因此，研究固液界面行为不仅能促进基础科学的发展，还能对科技水平的提高起到极大的促进作用。随着科学技术的不断发展和市场需求的扩大，主动控制固液界面行为已成为未来的发展趋势和研究热点。前期研究主要通过改变固体或液滴性质以满足需求，如通过改变固液界面行为，使固体表面实现超亲水或超疏水状态以满足要求，属于准静态控制固液界面行为。随着自动化和信息化的发展，动态控制固液界面行为势在必行。通过电压主动控制固液界面行为是各种主动控制方式中应用最为广泛的一种方式。如通过电压控制微流体实现微流体的分离、合并和运输等功能，已在分析化学、生物医学、食品等领域得到广泛应用。然而，随着微流体控制设备集成化、微型化的进一步发展，微观尺度上的固液界面行为变的更加复杂，对系统的稳定性、可靠性产生极大的影响，已成为微流体控制从实验室走向应用的技术瓶颈。因此，深入研究电场下的固液界面行为成了目前研究的热点和难点。固液界面粘附力是固液界面最主要的作用力，对固液界面行为起到主导作用。目前，微观尺度下的固液界面行为通常使用倾斜板装置和原子力显微镜、表面力仪等科研设备对粘附力进行研究。倾斜板装置主要通过观察液滴在重力的作用下在倾斜板上的运动规律，通过计算得到固液界面粘附力。该方法操作简单，数据直观，但测量精度很低，测试的液滴受各种因素限制，如随着液滴尺寸减小，固液界面粘附力过大，液滴在倾斜板不会发生运动，将导致测试无法完成。因此，当液滴处于微观尺度时，通常采用原子力显微镜、表面力仪等精密仪器对固液界面的粘附力进行测试。这类仪器的原理是通过一个微型探针去接触覆盖有水膜的固体表面，通过探针与固体表面接触和分离时的电信号反映固液界面的粘附行为。这种测量方法得到的数据准确，但数据反应的并不是完全的固液界面行为，而是固-液-固三相之间的一种耦合行为，这与实际工况有较大差异。此外，原子力显微镜、表面力仪等属于精密仪器，对操作人员、试验环境、试验过程、试验样品等都提出了极高的要求，微小的变化因素会造成很大的实验误差。不仅如此，测量电场下的固液界面粘附力需要引入电场力和液相环境，在这个过程中会降低仪器的测试精度及可能造成仪器损坏。因此，亟待开发一种操作便捷、测量精度高、能适用于电场和液相环境的方法和装置，用于精确快速的测量电场下固液界面之间的粘附力。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。为了实现根据本专利技术的这些目的和其它优点，提供了一种测量电场下固液界面间粘附力的测量装置，包括：透明塑料操作柜；水平底座，其设置在透明塑料操作柜内；电动位移平台，其竖直设置在水平底座上；水平铜板，其设置在水平底座上；所述水平铜板的上方粘接介质上电润湿标准实验样品；其中，在介质上电润湿标准实验样品上滴加液滴；L型悬臂梁，其一端连接在电动位移平台的滑移块上，另一端竖直朝向介质上电润湿标准实验样品且通过电动位移平台的移动使L型悬臂梁的竖直端与液滴的上端接触；激光传感器，其通过支撑架竖直设置在介质上电润湿标准实验样品的正上方且与L型悬臂梁的竖直端对齐设置以拍摄L型悬臂梁的的位移情况；高速摄像头；其设置在水平底座上，且所述高速摄像头位于介质上电润湿标准实验样品的侧面以拍摄液滴与L型悬臂梁的竖直端的接触情况；电源，其设置在水平底座上，所述电源的正极通过导线Ⅰ与L型悬臂梁电连接，电源的负极通过导线Ⅱ与水平铜板电连接；数据控制处理终端，其位于透明塑料操作柜的外部，所述数据控制处理终端分别与电动位移平台、激光传感器、高速摄像头电通信连接。优选的是，所述介质上电润湿标准实验样品采用导电凝胶粘接在水平铜板的上方；所述L型悬臂梁为L型纯铜管，其外径为0.5mm，内径为0.25mm；所述L型悬臂梁的一端通过导电凝胶连接在电动位移平台的滑移块上。优选的是，所述介质上电润湿标准实验样品包括：硅片、镀在硅片上的绝缘层和涂覆并烘干于绝缘层上的疏水层。优选的是，所述绝缘层为200～400nm的SiO2涂层，所述疏水层为特氟龙层。优选的是，所述支撑架包括结构相同且垂直连接的竖向支撑架和水平支撑架；所述支撑架的结构包括：平行设置的固定端Ⅰ和固定端Ⅱ，其通过两根平行的直线导轨连接；滑移块，其滑动连接在两根平行的直线导轨上；滚珠丝杠，其依次与固定端Ⅰ、滑移块和固定端Ⅱ螺纹转动连接；其中，所述竖向支撑架的固定端Ⅰ连接在水平底座上，所述水平支撑架的固定端Ⅰ连接在竖向支撑架的滑移块上；所述激光传感器连接在水平支撑架的滑移块上。优选的是，所述电动位移平台通过位移平台数据输出端口与数据控制处理终端电通信连接；所述激光传感器通过激光数据输出端口与数据控制处理终端电通信连接；所述高速摄像头通过图像数据输出端口与数据控制处理终端电通信连接。本专利技术还提供一种采用上述的测量装置测量电场下固液界面间粘附力的方法，包括以下步骤：步骤一、使用移液器将液滴添加到介质上电润湿标准试验样品表面；步骤二、开启激光传感器，调整水平支撑架的滑移块位置，将激光束聚焦在L型悬臂梁的竖直端，并开启电动位移平台，调节电动位移平台的滑移块使L型悬臂梁的竖直端的末端与液滴上端相接触；然后将当前位置设置为激光传感器和电动位移平台的零点位置；步骤三、开启电源，设置电压值；同时开启激光传感器和高速摄像头记录下整个实验过程；开启电动位移平台按设定速度运动，使L型悬臂梁和待测液滴发生相对运动，当液滴完全脱离介质上电润湿标准实验样品表面时停止电动位移平台的运动；通过数据控制处理终端导出整个实验过程中激光传感器所记录下的L型悬臂梁随时间位移的变化情况；步骤四、将L型悬臂梁的外径与内径值带入如下公式中：公式中D为L型悬臂梁外径，d为L型悬臂梁内径，得到惯性矩I；步骤五、将步骤三L型悬臂梁的位移变化值与步骤四的惯性矩带入如下公式中，计算粘附力的大小：公式中F为粘附力；E为L型悬臂梁弹性模量；I为L型悬臂梁惯性矩；L为L型悬臂梁的长度；ΔL为L型悬臂梁的线位移，即位移变化值。优选的是，所述介质上电润湿标准实验样品的制备方法为：将表面镀有SiO2涂层的硅片切割为30*30mm标准样品，随后对标准样品进行超声波清洗5min，用吸水纸吸取表面的水分，将其干燥，保持表面干净清洁；将干净清洁的样品置于台式匀胶机，旋涂特氟龙乳液；台式匀胶机旋涂参数如下：低速500r/min状态下旋涂20s；高速3000r/min状态下旋涂30s；最后将旋涂过的实验样品放置于200℃烤箱中烘烤3h后待其自然冷却，得到介质上电润湿标准实验样品。优选的是，所述L型悬臂梁的制备方法为：取长度为190mm，外径为0.5mm，内径为0.25mm的纯铜管，将其弯折成90°形成100mm和90mm两部分制成L型悬臂梁。优选的是，所述液滴的体积为8～12uL；所述步骤三中，电压值为80～120V，电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种测量电场下固液界面间粘附力的测量装置，其特征在于，包括：透明塑料操作柜；水平底座，其设置在透明塑料操作柜内；电动位移平台，其竖直设置在水平底座上；水平铜板，其设置在水平底座上；所述水平铜板的上方粘接介质上电润湿标准实验样品；其中，在介质上电润湿标准实验样品上滴加液滴；L型悬臂梁，其一端连接在电动位移平台的滑移块上，另一端竖直朝向介质上电润湿标准实验样品且通过电动位移平台的移动使L型悬臂梁的竖直端与液滴的上端接触；激光传感器，其通过支撑架竖直设置在介质上电润湿标准实验样品的正上方且与L型悬臂梁的竖直端对齐设置以拍摄L型悬臂梁的位移情况；高速摄像头，其设置在水平底座上，且所述高速摄像头位于介质上电润湿标准实验样品的侧面以拍摄液滴与L型悬臂梁的竖直端的接触情况；电源，其设置在水平底座上，所述电源的正极通过导线Ⅰ与L型悬臂梁电连接，电源的负极通过导线Ⅱ与水平铜板电连接；数据控制处理终端，其位于透明塑料操作柜的外部，所述数据控制处理终端分别与电动位移平台、激光传感器、高速摄像头电通信连接。

【技术特征摘要】
1.一种测量电场下固液界面间粘附力的测量装置，其特征在于，包括：透明塑料操作柜；水平底座，其设置在透明塑料操作柜内；电动位移平台，其竖直设置在水平底座上；水平铜板，其设置在水平底座上；所述水平铜板的上方粘接介质上电润湿标准实验样品；其中，在介质上电润湿标准实验样品上滴加液滴；L型悬臂梁，其一端连接在电动位移平台的滑移块上，另一端竖直朝向介质上电润湿标准实验样品且通过电动位移平台的移动使L型悬臂梁的竖直端与液滴的上端接触；激光传感器，其通过支撑架竖直设置在介质上电润湿标准实验样品的正上方且与L型悬臂梁的竖直端对齐设置以拍摄L型悬臂梁的位移情况；高速摄像头，其设置在水平底座上，且所述高速摄像头位于介质上电润湿标准实验样品的侧面以拍摄液滴与L型悬臂梁的竖直端的接触情况；电源，其设置在水平底座上，所述电源的正极通过导线Ⅰ与L型悬臂梁电连接，电源的负极通过导线Ⅱ与水平铜板电连接；数据控制处理终端，其位于透明塑料操作柜的外部，所述数据控制处理终端分别与电动位移平台、激光传感器、高速摄像头电通信连接。2.如权利要求1所述的测量电场下固液界面间粘附力的测量装置，其特征在于，所述介质上电润湿标准实验样品采用导电凝胶粘接在水平铜板的上方；所述L型悬臂梁为L型纯铜管，其外径为0.5mm，内径为0.25mm；所述L型悬臂梁的一端通过导电凝胶连接在电动位移平台的滑移块上。3.如权利要求1所述的测量电场下固液界面间粘附力的测量装置，其特征在于，所述介质上电润湿标准实验样品包括：硅片、镀在硅片上的绝缘层和涂覆并烘干于绝缘层上的疏水层。4.如权利要求3所述的测量电场下固液界面间粘附力的测量装置，其特征在于，所述绝缘层为200～400nm的SiO2涂层，所述疏水层为特氟龙层。5.如权利要求1所述的测量电场下固液界面间粘附力的测量装置，其特征在于，所述支撑架包括结构相同且垂直连接的竖向支撑架和水平支撑架；所述支撑架的结构包括：平行设置的固定端Ⅰ和固定端Ⅱ，其通过两根平行的直线导轨连接；滑移块，其滑动连接在两根平行的直线导轨上；滚珠丝杠，其依次与固定端Ⅰ、滑移块和固定端Ⅱ螺纹转动连接；其中，所述竖向支撑架的固定端Ⅰ连接在水平底座上，所述水平支撑架的固定端Ⅰ连接在竖向支撑架的滑移块上；所述激光传感器连接在水平支撑架的滑移块上。6.如权利要求1所述的测量电场下固液界面间粘附力的测量装置，其特征在于，所述电动位移平台通过位移平台数据输出端口与数据控制处理终端电通信连接；所述激光传感器通过激光...

【专利技术属性】
技术研发人员：张亚锋，汤程，王永宁，吴晓兰，余家欣，
申请(专利权)人：西南科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51