[發明專利]一種快速測量液滴動態接觸角的裝置及方法

有效

• 申請號: 202010071170.4
• 申請日: 2020-01-21
• 公開（公告）號: CN111122391B
• 公開（公告）日: 2021-05-04
• 發明（設計）人: 楊志兵;薛松;李東奇;陳益峰
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: G01N13/02
• 分類號: G01N13/02
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 楊宏偉

本發明公開了一種快速測量液滴動態接觸角的裝置及方法，裝置包括相機、注液裝置和樣品臺，樣品臺包括外框架和安裝在外框架內并能自由轉動的圓形平板，圓形平板上設有用于夾持兩個待測固體樣品薄片的彈簧夾，在兩個待測的固體樣品薄片之間形成供液體流過的通道。首先將通道旋轉至水平狀態，然后通過注液裝置向通道內注入液體，旋轉通道，拍攝液滴剛剛滑動狀態時液滴與固體樣品薄片界面形狀，利用繪圖軟件測量液滴的關鍵接觸角，之后將通道旋轉豎直狀態，測量液滴的動態接觸角和滑動速度，然后計算接觸角水動力模型的兩個參數，利用參數即可快速計算任意速度下的動態接觸角。本發明結構簡單，測量迅速快捷，可以快速建立動態接觸角計算模型。

技術領域

本發明屬于流體界面領域，涉及一種液體接觸角測量方法，具體涉及一種快速測量液滴動態接觸角的裝置及方法。

背景技術

表面濕潤性是固體材料的特征屬性之一，其通常是采用液滴與固體表面接觸線之間的夾角(接觸角)來衡量。接觸角的大小對于固體表面液體的吸附、脫離、擴張等行為具有重要的影響，是工業生產中所關注的重要指標。此外，在工程活動中，尤其是地下巖土工程中接觸角的大小決定了地下孔隙、裂隙滲流中毛細驅動力的大小，對地下滲流規律有著重要影響。地下滲流是工程領域所關心的核心問題，其涉及到諸多領域的安全問題，如地下水污染，地下核廢料泄露、地下水循環等。因此，準確測定接觸角的大小對于開展相關科研工作及指導工程建設具有重要意義。

大量細觀觀測表明液滴處于水平靜止狀態時接觸角為一恒定值，其大小與固體表面特性有關，當液滴在固體表面流動時，其前進界面的接觸角會隨流速的增大而增大，而后退界面的接觸角則會隨流速的增大而減小。當液滴處于靜止狀態測得的接觸角為靜態接觸角；處于運動狀態測得的接觸角為動態接觸角。靜態接觸角多用于研究一些靜態問題或是準靜態問題，而動態接觸角則多用于分析一些復雜的動態運動過程。大量對比研究表明，將靜態接觸角運用于分析動態問題時，理論結果將會和實際現象產生較大誤差。因此，在研究動態問題時有必要準確測定液滴的動態接觸角。

目前市場上所擁有的接觸角測量儀器絕大多數為靜態接觸角測量儀，其測量方法大多采用圖形分析法、稱重法等；市場上也出現了諸多品牌型號的工業產品，如德國kruss液滴形狀分析儀。這些產品為靜態接觸角的測量提供了有效的手段。然而在動態接觸角的測量上，市場上已有的產品尚不能測量接觸角隨流速變化的動態過程。因此，在動態滲流研究方面，急需一種測試裝置和方法以實現對動態接觸角的測量分析。

發明內容

本發明的主要目的在于克服現有技術的不足，提供一種快速測量液滴動態接觸角的裝置及方法，該裝置結合了圖形分析技術與水動力學分析方法，通過測量液滴少數特征狀態的接觸角，實現了液滴動態接觸角與界面流速關系的快速測量擬合功能。該設備結構簡單，擴展性強，操作方便。

為了達到上述目的，本發明采用的技術方案是：

一種快速測量液滴動態接觸角的裝置，包括相機、注液裝置和樣品臺，其特征在于：所述樣品臺包括豎直方向設置的外框架和安裝在外框架內并能在外框架所在平面內自由轉動的圓形平板，所述圓形平板上設有用于夾持兩個待測固體樣品薄片的至少兩個彈簧夾，兩個所述固體樣品薄片與圓形平板之間設有墊塊，兩個待測的固體樣品薄片平行夾持，在兩個待測的固體樣品薄片之間形成供液體流過的通道，所述注液裝置用于向通道內注入液體，所述相機的拍攝方向與圓形平板所在平面垂直。

作為改進，所述快速測量液滴動態接觸角的裝置還包括光源，所述光源和相機分別分布于樣品臺兩側，其中相機位于待測固體樣品薄片一側，所述圓形平板為透明平板。

作為改進，所述快速測量液滴動態接觸角的裝置還包括光學平板，所述相機、樣品臺和光源依次通過連接件安裝在光學平板上。

作為改進，所述光學平板上設有用于安裝相機、樣品臺和光源的陣列螺紋孔，通過選擇不同的螺紋孔調節相機、樣品臺和光源的相對位置。

作為改進，所述注液裝置包括依次相連的注射泵、注液管和毛細針管，所述毛細針管用于插入通道內注液。