[發明專利]一種具有新型液體分配方法的接觸角測量方法及其裝置

在審

• 申請號: 201710823523.X
• 申請日: 2017-09-13
• 公開（公告）號: CN107505236A
• 公開（公告）日: 2017-12-22
• 發明（設計）人: 宋碧海;宋少佩
• 申請（專利權）人: 寧波新邊界科學儀器有限公司
• 主分類號: G01N13/02
• 分類號: G01N13/02
• 代理公司: 杭州新源專利事務所(普通合伙)33234
• 代理人: 丁海華

技術領域

本發明涉及一種接觸角測量方法及裝置，特別是一種具有新型液體分配方法的接觸角測量方法及其裝置。

背景技術

在眾多的表面/界面測量、表征的方法中，液體在固體表面的接觸角測量技術作為一種表面分析、表征技術，具有儀器設備相對簡單、價格相對低廉、操作方便、測量條件接近實際使用環境、獲得信息量大等諸多優點，所以近年來，這些測量方法被廣泛地應用于基礎理論研究、新產品的研發和工業生產領域的質量控制,對這類儀器的需求量也逐年增加。

測量液體在固體表面的接觸角，其基本步驟是在固體表面形成一個一定體積的液滴(座滴，sessile drop)，然后通過對液滴圖像(側面或俯視圖像)的形狀分析和計算獲得接觸角，由接觸角的值可以進一步計算獲得固體表面能等相關物理量。現有的座滴形成方法主要包括接觸式加液法和非接觸式加液法。

接觸式加液法是一種通過液體與樣品表面的接觸實現液體轉移從而在樣品表面形成液滴的方法，具體又可分為二種方式：

一是讓形成液滴的針管(或毛細管)首先在離開固體表面一段距離(比如3-10mm)的位置，通過控制加液量，在針管下端口形成一個指定體積的懸滴，然后通過相對移動，讓懸滴接近樣品表面，通過懸滴下端與樣品表面的接觸而將懸滴轉移到樣品表面上形成一座滴。在開始進行測量前或后，再通過相對移動讓針管(或毛細管)與樣品表面分開。

另一種方式首先通過相對移動，讓形成液滴的針管(或毛細管)的下端口靠近樣品表面但不接觸，然后開始逐漸擠出指定量的液體。擠出的液體在針管(或毛細管)下端口形成一逐漸增大的液滴(懸滴)，并與樣品表面發生接觸而在其上面形成一座滴。但在測量開始前，一般需要再將針管(或毛細管)從樣品表面或形成的座滴中通過相對移動移開/出，以避免針管(或毛細管)的存在對測量結果的影響，除非正通過液滴體積增減法進行液體在固體表面動態前進/后退接觸角的測量。

由以上內容可以看出，這兩種接觸式加液方式都需要多步細微的操作，這些操作不僅對設備有較高的要求(設備需要配置相應的線性移動單元)，而且耗時費力，降低工作效率，阻礙了測量過程的自動化。除此之外，接觸的方式有可能導致液體或針管被樣品表面污染，影響測量結果。

非接觸式加液，即不通過接觸實現液體轉移的一種方式。現有的較為常用的一種非接觸式加液原理是通過對液體加壓或擠壓的手段賦予液體足夠的(動)能量，并結合微型閥控制液體的流出，使其在針管/噴嘴出口形成液滴或液流(jet)并“飛”(流)離針管/噴嘴出口到達待測物體表面。液體的流出體積是由出口的微型閥的打開時間(或打開/關閉時間模式)和對液體所施加的壓力來調節和控制。當把液體抵達固體表面時的動能控制在一定范圍內時，通過非接觸式加液測得的(靜態)接觸角值基本上與傳統的接觸式加液測量方法所測值一致。

這種非接觸式加液解決了接觸式加液操作繁瑣和污染風險的問題，但是這種加液方式(包括采用壓電元件的其它非接觸加液方法)受到單向加液特性限制，它只能輸出(液體)，不能回吸，應用范圍較窄。更重要的是，這種加液裝置的液滴體積還受到多種因素(如液體純度、溫度和壓力等)的影響，加液裝置無法精確直接指定液滴的體積，而必須運用待測液體進行事先校正。與靜態接觸角相比，動態接觸角的測量結果能夠提供更全面的有關固體表面潤濕屬性的信息。目前最常用的動態接觸角的測量方法(之一)是液滴體積增大/縮小法，即通過加液裝置持續地輸出/回吸液體來緩慢地改變待測固體表面上座滴的體積。因此，這種不能回吸液體的非接觸式加液方式就無法通過液滴體積縮小來測量動態接觸角中的后退接觸角。同時，現有的光學接觸角測量儀還兼具測量液體表面/界面張力的功能。然而測量表面/界面張力需要在針管端口形成懸滴，并在測量過程中控制懸滴的體積。這種非接觸式加液方式同樣無法做到這一點。這也就意味著它的測量模式單一，對儀器的性能和功能有著不小的浪費。因為包含了液體加壓裝置和微型閥等部件，采用這種加液方式的測量裝置比起接觸式測量裝置更加復雜，也更難維護或清洗。

綜上，尋找一種操作簡單易于自動化的檢測方法以及對應的結構比較簡單，應用范圍廣的測量裝置是目前本領域技術人員急需解決的問題。

發明內容