[發明專利]一種基于光反射的固體表面能測定裝置及方法

在審

• 申請號: 202011119714.6
• 申請日: 2020-10-19
• 公開（公告）號: CN112284984A
• 公開（公告）日: 2021-01-29
• 發明（設計）人: 劉建科;李智智;騫來來
• 申請（專利權）人: 陜西科技大學
• 主分類號: G01N13/02
• 分類號: G01N13/02;G01B11/26
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 馬貴香

本發明公開了一種基于光反射的固體表面能測定裝置及方法，包括光源，光源用于產生平行擴束光束，光束控制元件及光束調節元件依次設置在平行擴束光束的光路上，光束調節元件用于將平行擴束光束分為至少三個入射光束；每個入射光束照射待測固體表面上對應液體液滴，并在觀察屏上形成反射光斑；采集裝置用于采集反射光斑，采集裝置的輸出端與評估系統連接；本發明利用光反射原理，通過獲取多個反射光斑，利用多個反射光斑的直徑差，獲得液滴與待測固體表面之間的接觸角，進而計算得到待測固體表面的表面能；光敏感度較高，測定結果可解析，測定過程簡單，成本較低，具有高效無損非接觸式，高精度快速測量的優勢。

技術領域

本發明屬于表面能測定技術領域，特別涉及一種基于光反射的固體表面能測定裝置及方法。

背景技術

表面能是分子間力的一種直觀體現，液體或固體表面分子受到不平衡的分子間的影響，與內部分子比較，具有附加的能量；表面能可分為固體表面能和液體表面能，固體表面能的測定對多孔材料、焊接及分子篩等領域的理論研究和生產實踐具有重要指導作用；液體表面能的測定與清潔劑的制造、泡沫分離、潤濕、脫色、乳化及催化等技術密切相關。

目前，采用接觸角是所有固體表面能測定方法中最直接、最有效的方法，其本質上是基于描述固液氣界面體系的楊氏方程的計算方法；現有測量接觸角的方法主要有影像分析法、量角法、力測法和光測法等；其中，影像分析法需過擬合液滴輪廓，利用軟件計算來獲得接觸角；量角法通過尋找接觸角來測量的接觸角的大小，影像分析法和量角法對拍照的設備，拍攝環境等要求高，且存在光學盲區；力測法主要是針對插板液面，需已知液體表面張力，且僅能夠測量一種液體，對固體板的尺寸要求交大，需已知接觸線長度，對液體樣品需求較大；光測法對插板液面可以同步測量張力和接觸角，且只能測一種液體，對樣品的需求較大。

發明內容

針對現有技術中存在的技術問題，本發明提供了一種基于光反射的固體表面能測定裝置及方法，以解決現有技術中采用接觸角測量固體表面能時，測量液滴存在光學盲區，測量不全面，人為誤差較大的技術問題。

為達到上述目的，本發明采用的技術方案為：

本發明提供了一種基于光反射的固體表面能測定裝置，包括光源、光束控制元件、光路調節元件、觀察屏、采集裝置及評估系統；光源用于產生平行擴束光束，光束控制元件及光束調節元件依次設置在平行擴束光束的光路上；光束控制元件用于調節平行擴束光束的直徑，光束調節元件用于將平行擴束光束分為至少三個入射光束；

入射光束照射待測固體表面上的液滴后，形成反射光束；待測固體表面的上方水平設置有觀察屏，反射光束在觀察屏上形成反射光斑；采集裝置用于采集觀察屏上的反射光斑，采集裝置的輸出端與評估系統連接，評估系統用于根據采集的反射光斑，計算得到待測固體的表面能。

進一步的，光束調節元件包括第一分光鏡、第二分光鏡、第三分光鏡、第四分光鏡、第五分光鏡、第一平面鏡及第二平面鏡；

第一分光鏡置于平行擴束光束的光路上，平行擴束光束通過第一分光鏡后，形成第一反射光束和第一透射光束；第一平面鏡及第二分光鏡依次設置在第一反射光束的光路上，第一反射光束依次經第一平面鏡及第二分光鏡反射后，形成第一個入射光束，第一個入射光束垂直照射在待測固體表面上的第一個液滴上；

第三分光鏡設置在第一透射光束的光路上，第一透射光束通過第三分光鏡后，形成第二反射光束和第二透射光束；第二平面鏡及第四分光鏡依次設置在第二反射光束的光路上，第二反射光束依次經第二平面鏡及第四分光鏡反射后，形成第二個入射光束，第二個入射光束垂直照射在待測固體表面上的第二個液滴上；

第五分光鏡設置在第二透射光束的光路上，第二水平光束通過第五分光鏡反射后，形成第三個入射光束，第三個入射光束垂直照射在待測固體表面上的第三個液滴上。

進一步的，第一分光鏡、第二分光鏡、第三分光鏡、第四分光鏡及第五分光鏡均采用半透半反鏡。