[發明專利]一種部分相溶液液體系的三相接觸角測量方法及其應用

在審

• 申請號: 202110351005.9
• 申請日: 2021-03-31
• 公開（公告）號: CN113029870A
• 公開（公告）日: 2021-06-25
• 發明（設計）人: 黃才利;陳冰鈺;關凱中
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01N13/00
• 分類號: G01N13/00
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 陳燦

本發明屬于接觸角測量領域，具體涉及一種部分相溶液液體系的三相接觸角測量方法及其應用。本發明測量方法包括以下步驟：(1)將達到相平衡處于臨界點的A和B液液混合物變溫至設定溫度T_設，分離得到輕相和重相，輕相密度小于重相；(2)在恒溫操作環境內將不溶于A和B的固體C放置于輕相內，穩定后滴加重相，獲得固?液?液三相接觸界面的測量體系，輕相、重相和固體C的溫度恒定為T_設；(3)通過接觸角測量裝置對測量體系進行液滴圖像的獲取和分析。本發明能夠測量并獲得部分相溶液液體系中固體和兩相液體的接觸角數值，進而用來制備雙連續結構，在皮克林乳液和雙連續水油體系等界面領域中有著廣泛的前景和應用。

技術領域

本發明屬于接觸角測量領域，具體涉及一種部分相溶液液體系的三相接觸角測量方法及其應用。

背景技術

不相容的液液體系(例如水和油)，其熱力學平衡狀態是不相容的相分離狀態，即水油分層。如果將其攪拌混合，則會得到其中一相的小液滴分散在另一相中的混合物—乳液，然而這種狀態是非平衡和不穩定的，長久放置后，小液滴之間會逐漸合并，體積增大，最終兩相液體分層，達到熱力學平衡狀態，即相分離。想要將乳液穩定，可以引入表面活性劑或者膠體粒子。由微納尺寸的固體粒子吸附在小液滴表面，阻止液滴之間的凝聚合并從而形成的穩定均一的乳液稱之為“Pickering乳液”。乳液類型取決于兩相液體對于膠體粒子的潤濕程度，以水和油為例，當膠體粒子更親水時，即水潤濕膠體粒子的程度大于油潤濕膠體粒子的程度，會形成水包油乳液，反之則會形成油包水乳液。兩相流體對于膠體粒子的潤濕程度，即膠體粒子的潤濕性可用固-液-液三相接觸角θ的大小來衡量。當0°﹤θ﹤90°時，粒子更親水，形成水包油乳液；反之，當90°﹤θ﹤180°時，粒子更親油，形成油包水乳液。當θ＝90°，粒子被兩相流體以相同的程度潤濕，即中性潤濕，此時粒子處于液液界面，一半在水中，另一半在油中。

不相容液液體系是指組成流體互不相溶，而部分相容液液體系是指組成液體成分在一定溫度下為單一相共存，改變系統的溫度(或壓力)可誘導相分離。例如水和2,6-二甲基吡啶，在臨界溫度之下兩相液體彼此互溶為均一的一相，在臨界溫度之上相分離，此時劃分互溶和相分離狀態的臨界溫度稱之為“最低臨界會溶溫度LCST(Lower CriticalSolution Temperature)”。與之相反的例如硝基甲烷和乙二醇，在臨界溫度之上兩相液體彼此互溶，在臨界溫度之下相分離，此時的臨界溫度稱之為“最高臨界會溶溫度UCST(UpperCritical Solution Temperature)”。部分相容液液體系的相分離包括兩種分離方式，一種是成核生長，通常體積分數小的液體以小液滴分散在另一種液體中，形成亞穩定的乳液，另一種是旋節分解，形成兩相流體互相貫穿，彼此滲透的雙連續結構。雙連續結構是非平衡且不穩定的，隨著相分離的進行，兩相液體的體積逐漸增大，流體域變粗，界面面積減小，最終液液分層。

受到Pickering乳液的啟發，可使用中性潤濕的膠體粒子來穩定雙連續結構的液液界面，由于膠體粒子對兩相流體具有同等的潤濕性，粒子處在界面上，伴隨著旋節分解相分離的過程，兩相體積增大，液液界面面積減小，減小至界面剛好容納下所有的膠體粒子，此時界面固化，雙連續結構得以穩定，形成雙連續界面堵塞的乳液凝膠，即Bijels。

由于界面收縮，膠體粒子堵塞，液液界面固化，Bijels整體呈現為凝膠，具有固體的性質；同時，Bijels的組成流體成分以液體的性質在凝膠內部存在，且界面的粒子層具有半滲透性，因此，Bijels具有良好的運輸和傳質能力。Bijels獨特的結構和性能使得它在過濾裝置，傳感器，組織工程以及電極材料上有著廣泛的應用和巨大的潛力。然而，Bijels的制備面臨著種種的問題和挑戰，其中實現膠體粒子中性潤濕是一個極為復雜且成功率和重復率很低的過程。

Dongyu Cai等通過將界面納米粒子和分子表面活性劑與高粘度的不混溶液體結合，開發了一種可用于創建的替代策略。Bijels可由甘油、硅油、二氧化硅納米顆粒和十六烷基三甲基溴化銨表面活性劑制備而成。(Cai,D.,et al.(2017).Soft Matter 13(28):4824-4829.)