[發明專利]一種在超重力環境下測量接觸角的裝置及方法

有效

• 申請號: 201410620488.8
• 申請日: 2014-11-06
• 公開（公告）號: CN104330338B
• 公開（公告）日: 2016-10-26
• 發明（設計）人: 尹大川;劉永明;包晟;吳子慶;郭衛紅;何進;李大為;商澎
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G01N13/00
• 分類號: G01N13/00
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 顧潮琪

技術領域

本發明涉及一種測量固—液動態接觸角的裝置和方法。

背景技術

接觸角是指液體滴在固體表面上時，在氣、液、固三相交界處，氣液界面與固液界面形成的夾角。接觸角是表征液體對固體表面潤濕程度的重要參數，也是接觸角法估算固體表面能的重要參數。在生物界，以及超疏水界面、自清潔表面、流體減阻、低粘附等工業生產領域，接觸角的研究都扮演著重要角色。

文獻“Sessile?drop?in?microgravity:creation,contact?angle?and?interface.Microgravity?Science?and?Technology,2009.21:p.67-76”報道了利用拋物線飛機提供的微重力、常重力、2G超重環境下接觸角測量的裝置與方法。利用拋物線飛機營造的超重環境測量接觸角，超重時間短、機會有限、價格昂貴，而離心機可以在地面提供長時間、穩定、低廉的超重環境，并且可以提供不同的超重環境，更能夠方便快捷的測量不同超重環境下的接觸角。專利“超導磁體模擬微重力環境下接觸角測量裝置及其方法,CN?102564905?B,2013.11.06”報道了超導磁體模擬微重力環境下接觸角測量裝置及其方法，它只適用于超導磁體模擬微重力環境這種特殊環境下的接觸角測量，不適用與離心超重環境下接觸角的測量。文獻“接觸角測量技術的最新進展.理化試驗-物理分冊.2008,44:84-89”報道了接觸角測量技術的最新進展，目前測量接觸角方法主要有量角法、測力法、小液滴球冠法、液餅法、垂片法、透過法、躺滴法等。對于超重環境下接觸角的測量而言，測力法需要用調子天平，而電子天平在超重環境下由于自身的應變片或彈簧本身也有重量，會帶來測力帶來不可避免的誤差，故不適用；小液滴球冠法基于液滴很小時液滴形狀受重力的影響被忽略呈標準球冠，這種方法未考慮液滴很小時線能量對接觸角的影響，另一方面它測量的是排除重力影響的接觸角值，而不適用于研究超重環境下接觸角值；液餅法測量的是臨界接觸角值而不是動態接觸角的值；垂片法根據液體由于毛細管作用沿待測薄片上升高度計算出接觸角值，離心超重環境下由于受到CCD觀測系統等條件的限制，此法不適用；透過法是用于測固體粉末的接觸角的方法，而不是固體薄片的接觸角方法；躺滴法是經典的接觸角測量方法，也易于實現，但目前商用的儀器，自動化程度較高、體積龐大、結構復雜，并且只適用于常重力環境下接觸角的測量，對于離心超重環境來說，無法應用。

發明內容

為了克服現有技術的不足，本發明提供一種在離心超重環境下固—液動、靜態接觸角測量裝置，滿足在離心超重環境下測量固—液動態接觸角，也可以滿足在常重力條件下固—液動態接觸角的測量，可進行兩者的對比實驗。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：包括長臂離心機系統和接觸角測量系統。

所述的長臂離心機系統包括轉動系統、長臂系統和承重系統，所述的接觸角測量系統包括密閉腔室、進液系統、照明系統、在線觀測系統和樣品臺系統；

所述的轉動系統包括變頻器、電機、減速機和長臂固定器；交流電由變頻器輸入電機，電機通過減速機驅動安裝在長臂固定器上的長臂系統旋轉；

所述的長臂系統在長臂兩端分別懸掛密閉腔室和配重，長臂中部通過長臂固定絲杠和長臂固定螺母連接長臂固定器，垂直于長臂的加固定條固定支柱與長臂之間連接若干加固條；

所述的承重系統包括滾珠軸承、承重支架和底座；長臂固定器通過滾珠軸承安裝在承重支架上，承重支架安裝在底座上；

所述的密閉腔室是一個密閉的塑料盒，一端安裝在線觀測系統的遠心鏡頭，另一端安裝照明系統，盒內安裝樣品臺系統，樣品臺系統的高度與遠心鏡頭的中心處于同一水平線上；

所述的照明系統是一平行光背光源；

所述的觀測系統包括遠心鏡頭、CCD、視頻信號發射器、視頻信號接收器和電腦；CCD將遠心鏡頭觀測到的光學信號轉化為電信號，通過視頻信號發射器和視頻信號接收器傳送至電腦進行顯示；

所述的樣品臺系統通過有機玻璃的上底板和下底板固定樣品；

所述的進液系統包括液體注射單元、針頭、液體注射單元發射器和液體注射單元接收器；液體注射單元中，馬達驅動注射器推桿，注射器出口通過軟管連接針頭，針頭進入密閉腔室且垂直固定于樣品正上方；液體注射單元接收器接收液體注射單元發射器發射的信號，驅動電機正轉或反轉；

所述的液體注射單元、液體注射單元接收器、CCD控制器和視頻信號發射器都固定在長臂上。

本發明還提供一種在離心超重環境下測量固—液動態接觸角的方法，包括以下步驟：