[發(fā)明專利]一種測(cè)試非浸潤固-液界面微粘附力的裝置和方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201711184217.2
• 申請(qǐng)日: 2017-11-23
• 公開（公告）號(hào): CN107966403A
• 公開（公告）日: 2018-04-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 祝青;肖才偉;鄭保輝;李尚斌;羅觀
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國工程物理研究院化工材料研究所
• 主分類號(hào): G01N19/04
• 分類號(hào): G01N19/04
• 代理公司: 四川省成都市天策商標(biāo)專利事務(wù)所51213
• 代理人: 劉興亮

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于界面性能測(cè)試領(lǐng)域，具體涉及一種非浸潤固-液界面微粘附力測(cè)試裝置和方法，在疏液功能材料性能表征和固液表界面研究中具有較好的實(shí)際應(yīng)用前景。

背景技術(shù)

近年來，自然界植物葉表面的特殊疏水界面性能引起了人們廣泛的關(guān)注，疏液性能是指材料表面與水滴的接觸角大于90°的表面，這種表面與接觸液體具有不浸潤的特性。受到自然界啟發(fā)制備的疏液材料可應(yīng)用于油水分離、減阻材料、自清潔材料和抗結(jié)冰材料等，這些材料均在國防建設(shè)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中都有著極其廣闊的應(yīng)用前景。

在研究疏液表面的過程中通常使用靜態(tài)接觸角和滾動(dòng)角來表征固體表面與接觸液體間的排斥效果，但固體表面的微納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分子構(gòu)成對(duì)表面與液體間的相互作用有較大影響，而對(duì)于這種疏液表面與接觸液體間的黏附作用力的具體表征一直是固-液界面研究工作者的困惑與難題。固-液界面微黏附力研究與表征主要限定于非浸潤性的固-液界面黏附力分析，當(dāng)固液界面發(fā)生浸潤作用時(shí)，液體完全鋪展于固體表面，無法測(cè)試其界面作用力。因此，只有當(dāng)固液界面發(fā)生不浸潤作用時(shí)，但會(huì)因?yàn)楣腆w表面的不同微納米結(jié)構(gòu)和分子結(jié)構(gòu)，以及接觸液體特性的差別，或外部環(huán)境的差異而產(chǎn)生固液界面黏附力的差異，這種差異對(duì)功能材料的表面性能起著關(guān)鍵評(píng)價(jià)意義，是功能材料在實(shí)際工況條件下能否滿足具體實(shí)施要求的技術(shù)指標(biāo)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，解決目前在功能材料的表界面性能評(píng)估中無法獲得確切疏液固體表面和接觸液體的界面微黏附力具體數(shù)值和比較黏附性能優(yōu)劣的問題，提供一種測(cè)試類非浸潤固-液界面微黏附力的裝置及測(cè)試方法，同時(shí)可通過測(cè)試條件設(shè)置和環(huán)境模塊來實(shí)現(xiàn)在不同條件下固-液之間的界面微黏附力的測(cè)試，通過曲線分析得到界面微黏附作用力的具體數(shù)值和固液界面分離的具體過程。

本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的：

一種測(cè)試非浸潤固-液界面微黏附力的裝置，主要包括高精度微量力測(cè)試儀、力傳感器、液體掛件、樣品升降平臺(tái)、數(shù)值記錄儀、測(cè)試環(huán)境控制模塊和防震平臺(tái)，樣品升降平臺(tái)位于防震平臺(tái)上，力傳感器位于高精度微量力測(cè)試儀下方并與高精度微量力測(cè)試儀連接，在力傳感器下方設(shè)置有液體掛件，高精度微量力測(cè)試儀和樣品升降平臺(tái)均通過數(shù)據(jù)連接線與數(shù)值記錄儀連接，樣品升降平臺(tái)以及液體掛件均設(shè)置在測(cè)試環(huán)境控制模塊控制的環(huán)境范圍內(nèi)。

還包括一個(gè)液體精密注射器，在測(cè)試時(shí)，通過液體精密注射器將測(cè)試液體以精準(zhǔn)的體積懸掛于液體掛件上。

本發(fā)明還包括外部電源開關(guān)：用于控制整個(gè)測(cè)試非浸潤固-液界面微黏附力的裝置的供電系統(tǒng)。

下面對(duì)本發(fā)明的測(cè)試非浸潤固-液界面微黏附力的裝置涉及的主要部件進(jìn)行具體說明。

高精度微量力測(cè)試儀：用于感知液體掛件上的液體與固體在分離過程中受到的拉力大小，對(duì)微小作用力的感知力較強(qiáng)。

力傳感器：用于連接高精度力測(cè)試儀和液體掛件，將液體上的受力傳遞給微量力測(cè)試儀。

液體掛件：用于懸掛測(cè)試液體的小部件，可根據(jù)使用需求，將掛件頭部制備成不同直徑的微小圓圈，用于懸掛不同體積的液滴。掛件材質(zhì)需選擇硬度不低于HRC 35的材料，不易變形，包括聚合物、金屬或合金等材料。

液體精密注射器：根據(jù)液體的粘度值可選擇不同直徑的注射針頭，對(duì)注射液體的體積控制精度范圍為不大于1uL。

樣品升降平臺(tái)：用于放置測(cè)試固體的平臺(tái)，可控自由連續(xù)升降，平臺(tái)表面光滑平整，表面粗糙度不大于0.1mm。

數(shù)值記錄儀：用于微量力測(cè)試儀變化的數(shù)值記錄、樣品升降平臺(tái)的位置記錄和測(cè)試時(shí)間記錄。

測(cè)試環(huán)境控制模塊：用于控制測(cè)試非浸潤固-液界面微黏附力的裝置測(cè)試時(shí)的環(huán)境溫度和環(huán)境壓力的外置模塊，可根據(jù)實(shí)際使用需求采用不同溫度范圍和壓力范圍的控制模塊。

防震平臺(tái)：用于放置整個(gè)測(cè)試非浸潤固-液界面微黏附力的裝置的臺(tái)面，減少外部震動(dòng)干擾精密力數(shù)值的讀取。

本發(fā)明還提供了一種測(cè)試非浸潤固-液界面微粘附力的方法，使用了本發(fā)明公開的測(cè)試非浸潤固-液界面微粘附力的裝置，并包括如下步驟：

(1)準(zhǔn)備好測(cè)試液體和固體表面；

(2)根據(jù)需求選擇合適直徑大小的液體掛件，使用精密注射器將測(cè)試液體按需求體積注射至液體掛件小圓圈上進(jìn)行懸掛，懸掛了測(cè)試液滴的掛件置于力傳感器上；

(3)將測(cè)試固體放置于樣品升降臺(tái)上，通過升降控制固體表面與測(cè)試液體剛好接觸，并繼續(xù)縮小固體表面與測(cè)試液體之間的距離，按測(cè)試需求調(diào)整固-液間距，此時(shí)將微量力測(cè)試儀受到的力進(jìn)行歸零；