專利名稱：一種水平旋轉(zhuǎn)滴法測(cè)定接觸角的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種材料的物理化學(xué)性質(zhì)測(cè)試方法，具體是涉及一種對(duì)反映材料潤(rùn)濕性的重要參數(shù)一接觸角的測(cè)試方法。
傳統(tǒng)的測(cè)定液體在固體表面上的接觸角的方法，一般使用平面上的躺滴法(滴外形法)、吊片機(jī)(測(cè)力法)、細(xì)絲上的鼓桶形滴法等。具體測(cè)定可自行組裝儀器或使用專門商品儀器，如德國(guó)KRUSS公司的G2等接觸角測(cè)定儀。
美國(guó)的膠體和界面科學(xué)雜志(1995)曾指出，可以使用旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀測(cè)定某種液體在旋轉(zhuǎn)管壁上的接觸角(相對(duì)于另一種不混溶的液體)方法。該法雖然是用旋轉(zhuǎn)滴張力儀，但是由于以下幾個(gè)問(wèn)題很難付諸實(shí)施(1)測(cè)定液體在管壁上的接觸角，必須用待測(cè)固體材料制成特殊旋轉(zhuǎn)管，因此旋轉(zhuǎn)管的種類變化多，不能使用儀器原有的旋轉(zhuǎn)管，而遇到所用固體材料不透明時(shí)則因難于觀測(cè)而更難實(shí)施；(2)接觸角可以測(cè)定的范圍有限，例如某些體系測(cè)定所需臨界轉(zhuǎn)速低于儀器最低轉(zhuǎn)速或高于儀器的最高轉(zhuǎn)速都不能測(cè)定；第二流體相是氣體時(shí)，也很難測(cè)定。
本發(fā)明所述的一種水平旋轉(zhuǎn)滴法測(cè)定接觸角的方法，使用有數(shù)碼圖象系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制、測(cè)定裝置的旋轉(zhuǎn)滴界面張力/接觸角測(cè)定儀；在旋轉(zhuǎn)管一端裝入鑲有待測(cè)材料基片的密封塞，待測(cè)材料表面應(yīng)與旋轉(zhuǎn)軸心垂直，管中注入固-液-氣體系中的液體或固-液-液體系中的高密度液體，旋轉(zhuǎn)管另一端用裝樣塞塞緊，用注射器通過(guò)裝樣塞的小孔注入一定量的氣體或低密度液體，用硅膠墊密封，并以輔助配件壓緊，將裝樣旋轉(zhuǎn)管放入旋轉(zhuǎn)軸中，再用鎖緊帽鎖緊，開啟儀器，使旋轉(zhuǎn)管在一定轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)，使管中氣體或低密度液體形成自由滴；當(dāng)旋轉(zhuǎn)滴或氣泡形成一定時(shí)間后，界面張力不再隨時(shí)間變化，以保證測(cè)定的接觸角是平衡的液-液或液-氣界面張力下的接觸角；調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)管的水平使管中氣體或低密度液體接觸待測(cè)固體平面后，再調(diào)回水平，根據(jù)不同的測(cè)量、計(jì)算方式，編制相應(yīng)的軟件，通過(guò)接觸固體前后氣泡或液滴的特征尺寸，測(cè)定固-液-氣或固-液-液接觸角；(1)第一種測(cè)定方式根據(jù)小的自由滴的尺寸測(cè)定張力，測(cè)量接觸滴的接觸直徑Dc及赤道直徑D計(jì)算接觸角；無(wú)論是大液滴還是小液滴，當(dāng)接觸角小于90度時(shí)赤道直徑與最大直徑相等，如果接觸角大于90度液滴呈鐘形，其赤道直徑是鐘形液滴拐點(diǎn)處直徑；小液滴的概念是液滴全部出現(xiàn)在光學(xué)顯微鏡或CCD視野內(nèi)，實(shí)際上對(duì)液滴的長(zhǎng)與寬之L/D無(wú)限制；a.首先在旋轉(zhuǎn)管中形成一自由旋轉(zhuǎn)滴或氣泡，即液滴或氣泡兩端都不與固體接觸，當(dāng)表面或界面張力不再隨時(shí)間改變，即液滴的形狀或特征尺寸在一定轉(zhuǎn)速、一定溫度下不再隨時(shí)間改變時(shí)，在旋轉(zhuǎn)軸水平條件下測(cè)定液滴之長(zhǎng)L＝2x0，寬D＝2y0，通過(guò)計(jì)算機(jī)程序，由下式計(jì)算界面張力γ＝1/4Δρω2y03f式中Δρ為兩液相或氣液兩相之間的密度差，ω為體系旋轉(zhuǎn)的角速度，f為校正系數(shù)，由L/D即x0/y0決定；f值可用兩種方式得出從附表中直接查找或根據(jù)附表編制一個(gè)簡(jiǎn)單的插值程序求出；或編制解旋轉(zhuǎn)滴條件下的Laplace方程的數(shù)值積分程序，由給定的α值計(jì)算x0/y0，修正α使計(jì)算得到的x0/y0與使用測(cè)定的x0/y0相等，則根據(jù)最后計(jì)算過(guò)程中得到的cr3與y0/r推算出f＝1/(cy03)＝1/[(cr3)*(y0/r)3]。
b.當(dāng)確認(rèn)γ基本不變后，使旋轉(zhuǎn)軸傾斜約5度，使液滴與待測(cè)固體表面接觸，然后再調(diào)回水平狀態(tài)，穩(wěn)定后測(cè)定液滴的赤道直徑D及接觸直徑Dc，令Rc＝Dc/D及Λ＝Δρω2y03/8γ可由下式計(jì)算出外相液體在固體表面的接觸角θsinθ＝Rc(1+Λ-ΛRc3)在接觸直徑大于D的情況下，須根據(jù)液滴輪廓線的拐點(diǎn)確定D；因此，相應(yīng)的測(cè)定接觸角的計(jì)算機(jī)軟件應(yīng)包括測(cè)量自由液滴的x0，y0，接觸液滴的赤道直徑D及接觸直徑Dc，計(jì)算表面或界面張力，當(dāng)然還需要采集測(cè)定時(shí)儀器的轉(zhuǎn)速ω及輸入兩個(gè)流體相之間的密度差Δρ，計(jì)算接觸角；(2)第二種方式根據(jù)小自由滴尺寸測(cè)定張力及體積v，通過(guò)測(cè)量接觸滴的y0＝D/2與實(shí)際長(zhǎng)度h測(cè)定接觸角，此法在接觸直徑太小，或靠近固體表面處圖象不太清晰，其測(cè)定精度受到影響的情況下使用，具體步驟如下a.按Cayias等人的方法求出自由液滴的各項(xiàng)參數(shù)，計(jì)算其體積v；b.測(cè)量接觸滴的y0及實(shí)際長(zhǎng)度h；c.由接觸滴的y0及界面張力由γ＝1/4Δρω2y03f式推算出f，進(jìn)而推算x0/y0，以及長(zhǎng)軸半徑x0，形狀參數(shù)α，自由端頂點(diǎn)曲率半徑ρ0，液滴殘缺高度x＝2x0-h，無(wú)因次長(zhǎng)軸半徑X0＝x0/ρ0，無(wú)因次殘缺長(zhǎng)度X＝x/ρ0，無(wú)因次全滴體積V，即與接觸滴的x0，y0相同的自由旋轉(zhuǎn)滴的無(wú)因次體積，無(wú)因次實(shí)際體積Vrel＝v/ρ03其中的v由接觸前實(shí)際自由滴的體積得到，則可按下式計(jì)算θcosθ=X0-X-3α4π(Vrel-V/2)]]>(3)第三種方式測(cè)量大液滴的D與Dc，計(jì)算接觸角。大液滴的概念是L/D＞4；此時(shí)自由液滴與固體接觸后D基本不變；γ＝1/4Δρω2y03f式中的f＝1，即γ＝1/4Δρω2y03接觸角計(jì)算公式為sinθ＝(3Rc-Rc3)/2(4)第四種方式測(cè)量大液滴的D、Δx與Db，計(jì)算接觸角。
當(dāng)接觸直徑不易測(cè)準(zhǔn)時(shí)，可在距固體表面Δx處作與基面平行的平面bb，該平面與旋轉(zhuǎn)滴輪廓線相交所成圓直徑為Db，Db與液滴赤道直徑D之比為Rb＝Db/D進(jìn)而計(jì)算Rxb=33ln4-Rb2+34-Rb2-3-4-Rb2+C]]>其中Rxb=Xb/Y0=xb/y0=2Xb/3,C=2-33ln2+32-3=0.479]]>按下式計(jì)算無(wú)因次殘缺長(zhǎng)度Rxc，Rxc=Xc/Y0=(xb-Δx)/y0=Rxb-Δx/y0]]>
將Rxc代入下式，計(jì)算出RcRxc=32ln4-Rc2+34-Rc2-3-324-Rc2+C,]]>再由式sinθ＝(3Rc-Rc3)/2 計(jì)算θ；本發(fā)明所述的一種水平旋轉(zhuǎn)滴法測(cè)定接觸角的裝置，它由具有讀數(shù)顯微鏡、或顯微鏡與電子讀數(shù)尺、或CCD數(shù)碼圖象系統(tǒng)及相應(yīng)的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理程序或顯微照相機(jī)組成的旋轉(zhuǎn)滴界面張力/接觸角測(cè)定儀；該裝置為圓柱形旋轉(zhuǎn)管或方旋轉(zhuǎn)管，使用圓柱形旋轉(zhuǎn)管時(shí)，旋轉(zhuǎn)軸內(nèi)徑大于8mm，以便能裝入特制旋轉(zhuǎn)管，旋轉(zhuǎn)管材料為光學(xué)上均勻，不至于使觀察到的液滴輪廓變?yōu)椴灰?guī)則的玻璃或石英玻璃，內(nèi)徑6～10mm，外徑8～14mm，一端配有裝樣塞，另一端配有可以更換待測(cè)材料基片的密封塞，當(dāng)該被測(cè)固體易于加工為密封塞時(shí)，該密封塞可為待測(cè)接觸角所需固體材料制成；當(dāng)待測(cè)接觸角所需固體僅僅被加工為圓柱或基片時(shí)，該密封塞主體可為聚四氟乙烯或其他材料制成，可將固體圓柱或圓片鑲嵌或粘貼在密封塞的內(nèi)端面。無(wú)論是哪一種情況，必須保證待測(cè)接觸角所需固體材料平面光滑并與旋轉(zhuǎn)管軸心垂直；為了密封性良好，密封塞和裝樣塞都可以加配合適的橡膠圈，裝樣塞外端設(shè)有硅膠墊密封。
本發(fā)明與傳統(tǒng)的技術(shù)方案相比，具有如下效果該發(fā)明擴(kuò)大了旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀的使用范圍，解決了用原來(lái)的方法很難測(cè)定的一些體系，如超低界面張力體系的接觸角測(cè)定問(wèn)題；本發(fā)明可以使液滴呈規(guī)則的旋轉(zhuǎn)體，從而保證其測(cè)量的精度及準(zhǔn)確度；本發(fā)明提出的接觸角測(cè)定方法在學(xué)術(shù)上具有創(chuàng)新性，可以用于有關(guān)接觸角的理論研究。
由于在研究體系的界面性質(zhì)時(shí)，可以少購(gòu)買接觸角測(cè)定儀，因此大大地節(jié)約了研究成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益。
具體實(shí)施例方式


圖1中，旋轉(zhuǎn)管3采用內(nèi)徑6～10mm，外徑8～14mm，一端配有裝樣塞2，另一端配有可以更換待測(cè)材料基片的密封塞4。在裝樣塞2外側(cè)設(shè)有一個(gè)起密封作用的硅膠墊1。在旋轉(zhuǎn)管3一端裝入鑲有或貼有待測(cè)材料基片的密封塞4，要求基片表面光滑平整，且平面與旋轉(zhuǎn)軸心垂直。管中注入相關(guān)高密度液體(如水)，旋轉(zhuǎn)管3另一端用裝樣塞2塞緊。用注射器或微注射器通過(guò)裝樣塞2的小孔注入一定量的氣體或低密度液體(如油)，用硅膠墊1密封，并以輔助配件壓緊。將裝樣旋轉(zhuǎn)管放入旋轉(zhuǎn)軸中，再用鎖緊帽鎖緊。開啟儀器，使旋轉(zhuǎn)管在一定轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)。當(dāng)所注入的氣體或低密度液體形成旋轉(zhuǎn)自由泡或自由滴，且體系的表、界面張力不再變化時(shí)，調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)管的水平使管中氣體或低密度液體接觸待測(cè)固體平面后，再調(diào)回水平。通過(guò)接觸固體前后氣泡或液滴的形狀或特征尺寸，測(cè)定固——液——?dú)饣蚬獭骸航佑|角。本發(fā)明可采用JJ2000A型旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀進(jìn)行測(cè)量，并設(shè)置相關(guān)的計(jì)算機(jī)程序。
一、本發(fā)明所述使用的儀器及測(cè)定類型、范圍1.可用儀器型號(hào)JJ2000A型旋轉(zhuǎn)滴界面張力/接觸角儀(數(shù)碼圖象)及類似儀器、裝置2.可測(cè)定固體基底類型光滑固體平面，織物，可壓成型的固體粉末，各種成膜材料，附著固體表面的各種膜(吸附膜，LB膜等)3.可測(cè)定接觸角類型固-液-氣，固-液-液4.可測(cè)定接觸角范圍0～180°二、本發(fā)明具體的裝置、操作及測(cè)定方式A.對(duì)儀器的要求1.具有圓柱形旋轉(zhuǎn)管，或方旋轉(zhuǎn)管。
2.儀器具有讀數(shù)顯微鏡、或顯微鏡與電子讀數(shù)尺、或CCD數(shù)碼圖象系統(tǒng)及相應(yīng)的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理程序、或顯微照相機(jī)。
3.使用圓柱形旋轉(zhuǎn)管時(shí)，旋轉(zhuǎn)軸內(nèi)徑大于8mm，以便能裝入特制旋轉(zhuǎn)管。
特制旋轉(zhuǎn)管材料為玻璃或石英玻璃(要求光學(xué)上均勻，不至于使觀察到的液滴輪廓變?yōu)椴灰?guī)則)，內(nèi)徑6～10mm，外徑8～14mm，一端配有裝樣塞，另一端配有可以更換待測(cè)材料基片的密封塞。
密封塞材料為待測(cè)接觸角所需固體(當(dāng)該固體易于加工為密封塞時(shí))、聚四氟乙烯(當(dāng)待測(cè)接觸角所需固體僅僅被加工為圓柱或基片時(shí))。為了密封性良好，可以加配合適的橡膠圈。
裝樣塞材料為聚四氟乙烯，加工時(shí)注意逸氣口通暢。為了密封性良好，可以加配合適的橡膠圈。
B.操作實(shí)例(使用上海中辰數(shù)字技術(shù)有限公司產(chǎn)品JJ2000A型旋轉(zhuǎn)滴界面張力/接觸角測(cè)定儀，有數(shù)碼圖象系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)控制、測(cè)定)1.在旋轉(zhuǎn)管一端裝入鑲有待測(cè)材料基片(要求基片表面光滑平整，且其平面與旋轉(zhuǎn)軸垂直)的密封塞，管中注入固-液-氣體系中的液體或固-液-液體系中的高密度液體(液體1)，旋轉(zhuǎn)管另一端用裝樣塞塞緊。
2.用注射器通過(guò)裝樣塞的小孔注入一定量的氣體或低密度液體(液體2)。用硅膠墊密封，并以輔助配件壓緊。
3.將裝樣旋轉(zhuǎn)管放入旋轉(zhuǎn)軸中，再用鎖緊帽鎖緊。
4.開啟儀器，使旋轉(zhuǎn)管在一定轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)，使管中氣體或低密度液體形成自由滴；當(dāng)氣泡或旋轉(zhuǎn)滴形成一定時(shí)間后，界面張力不再隨時(shí)間變化。
5.調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)管的水平使管中氣體或低密度液體(液體2)接觸待測(cè)固體平面后，再調(diào)回水平。
6.根據(jù)不同的測(cè)量、計(jì)算方式，編制相應(yīng)的軟件，通過(guò)接觸固體前后氣泡或液滴的特征尺寸，測(cè)定固-液-氣或固-液-液接觸角。
實(shí)際測(cè)定時(shí)，在計(jì)算機(jī)顯示屏上得到清晰圖象后，點(diǎn)擊菜單中的凍結(jié)圖象，在所得圖象上用鼠標(biāo)測(cè)量接觸固體前后氣泡或液滴的特征尺寸，由相應(yīng)軟件測(cè)定固——液——?dú)饣蚬獭骸后w系接觸角。
C.測(cè)量、計(jì)算實(shí)例水平旋轉(zhuǎn)滴(泡)法測(cè)定接觸角又可分為以下四種方式測(cè)量及計(jì)算(每種方式都需要相應(yīng)的測(cè)量、計(jì)算軟件)第一種方式通過(guò)小自由滴(測(cè)量量為其長(zhǎng)軸半徑x0(＝L/2)和短軸半徑y(tǒng)0(＝D/2)測(cè)張力，通過(guò)測(cè)量接觸滴的y0(＝D/2)與yc(＝Dc/2)測(cè)定接觸角(屬兩步法)使用條件旋轉(zhuǎn)滴(或氣泡)形成一定時(shí)間后，界面張力不再隨時(shí)間變化，此時(shí)測(cè)定的接觸角是平衡的液-液或液-氣界面張力下的接觸角。
實(shí)際中可使用小液滴(液滴的長(zhǎng)與寬之L/D無(wú)限制，只要求液滴全部出現(xiàn)在光學(xué)顯微鏡或CCD視野內(nèi))。
測(cè)定步驟1.首先在旋轉(zhuǎn)管中形成一自由旋轉(zhuǎn)滴(或氣泡)，即液滴或氣泡兩端都不與固體接觸，當(dāng)旋轉(zhuǎn)滴或氣泡形成一定時(shí)間后，界面張力不再隨時(shí)間變化。在旋轉(zhuǎn)軸水平條件下測(cè)定液滴之長(zhǎng)L(＝2x0)，寬D(＝2y0)，由下式計(jì)算界面張力γ＝1/4Δρω2y03f(1)式中Δρ為兩液相或氣液兩相之間的密度差，ω為體系旋轉(zhuǎn)的角速度，f為校正系數(shù)，由L/D或x0/y0決定。
f值可用兩種方式得出a)，從附表1直接查找或根據(jù)附表1編制一個(gè)簡(jiǎn)單的插值程序求出；b)，按美國(guó)化學(xué)會(huì)于1975年出版的名為《界面吸附》一書中P234-P247中，題目是通過(guò)旋轉(zhuǎn)滴技術(shù)測(cè)定滴界面張力，作者Cayias等人(The Measurement of Low Interfacial Tension via the SpinningDrop Technique，“Adsorption at Interfaces”，ACS Symposium Series No.8(K.L.Mittal，Ed)pp.234-247，American Chemical Society，Washington，D.C.，1975)的方法，編制解旋轉(zhuǎn)滴條件下的Laplace方程的數(shù)值積分程序，簡(jiǎn)而言之由給定的α值計(jì)算x0/y0，修正α使計(jì)算得到的x0/y0與使用測(cè)定的x0/y0相等(在一定的誤差范圍內(nèi))，則根據(jù)最后計(jì)算過(guò)程中得到的cr3與y0/r推算出f＝1/(cy03)＝1/[(cr3)*(y0/r)3]。
(2)2.當(dāng)γ基本不變后，使旋轉(zhuǎn)軸傾斜約5度，使液滴與待測(cè)固體表面接觸，然后再調(diào)回水平狀態(tài)，穩(wěn)定后測(cè)量液滴的赤道直徑D及接觸直徑Dc，令Rc＝Dc/D (3)及Δρω2y03/8γ (4)則可由下式計(jì)算出外相液體在固體表面的接觸角θsinθ＝Rc(1+Λ-ΛRc3)(5)在接觸直徑大于D的情況下，須根據(jù)液滴輪廓線的拐點(diǎn)確定D。
因此，相應(yīng)的測(cè)定接觸角的計(jì)算機(jī)軟件應(yīng)包括測(cè)量自由液滴的x0，y0，接觸液滴的赤道直徑D及接觸直徑Dc，計(jì)算表面或界面張力(當(dāng)然還需要采集測(cè)定時(shí)儀器的轉(zhuǎn)速ω及輸入兩個(gè)流體相之間的密度差Δρ，計(jì)算接觸角。
第二種方式根據(jù)小自由滴尺寸測(cè)定張力及體積v，通過(guò)測(cè)量接觸滴的y0(＝D/2)與實(shí)際長(zhǎng)度h測(cè)定接觸角(亦屬兩步法)。此法在接觸直徑太小，或靠近固體表面處圖象不太清晰，其測(cè)定精度受到影響的情況下使用，具體步驟如下1.按Cayias等人的方法求出自由液滴的各項(xiàng)參數(shù)，計(jì)算其體積v；2.測(cè)量接觸滴的y0及實(shí)際長(zhǎng)度h；3.由接觸滴的y0及界面張力由(1)式推算出f，進(jìn)而推算x0/y0，以及長(zhǎng)軸半徑x0，形狀參數(shù)α，自由端頂點(diǎn)曲率半徑ρ0，液滴殘缺高度x＝2x0-h，無(wú)因次長(zhǎng)軸半徑X0＝x0/ρ0，無(wú)因次殘缺長(zhǎng)度X＝x/ρ0，無(wú)因次全滴體積V(與接觸滴的x0，y0相同的自由旋轉(zhuǎn)滴的無(wú)因次體積)，無(wú)因次實(shí)際體積Vrel＝v/ρ03(其中的v由接觸前實(shí)際自由滴的體積得到)，則可按下式計(jì)算θcosθ=X0-X-3α4π(Vrel-V/2)---(6)]]>因此，此種測(cè)定方式的相應(yīng)軟件與第一種不同之處是1)不能簡(jiǎn)單地使用f～x0/y0插值表，而是按Cayias等人的方法編制數(shù)值積分程序從自由滴的x0，y0計(jì)算體積v，及張力γ；2)接觸滴的測(cè)量尺寸中的接觸直徑Dc換為h，其他參數(shù)均需由數(shù)值積分方法獲得。
第三種方式測(cè)量大液滴的D與Dc，計(jì)算接觸角。大液滴的概念是L/D＞4(一步法)此時(shí)自由液滴與固體接觸后D基本不變；(1)式中的f＝1，即γ＝1/4Δρω2y03(7)接觸角計(jì)算公式為sinθ＝(3Rc-Rc3)/2(8)此種測(cè)定方式只需測(cè)量?jī)蓚€(gè)長(zhǎng)度量，計(jì)算機(jī)軟件的編制也最為簡(jiǎn)單。
第四種方式測(cè)量大液滴(L/D＞4)的D、Δx與Db，計(jì)算接觸角。(一步法)當(dāng)接觸直徑不易測(cè)準(zhǔn)時(shí)，可在距固體表面Δx處作與基面平行的平面bb，該平面與旋轉(zhuǎn)滴輪廓線相交所成圓直徑為Db，Db與液滴赤道直徑D之比為Rb＝Db/D (9)進(jìn)而計(jì)算Rxb=33ln4-Rb2+34-Rb2-3-4-Rb2+C---(10)]]>其中Rxb=Xb/Y0=xb/y0=2Xb/3,C=2-33ln2+32-3=0.479]]>按下式計(jì)算無(wú)因次殘缺長(zhǎng)度Rxc，Rxc=Xc/Y0=(xb-Δx)/y0=Rxb-Δx/y0---(11)]]>將Rxc代入下式，計(jì)算出RcRxc=32ln4-Rc2+34-Rc2-3-324-Rc2+C,---(12)]]>再由式(8)計(jì)算θ。
以上四種方式中，優(yōu)先使用大液滴的兩種方式(第三、第四)，不僅需要測(cè)量的尺寸種類少，相對(duì)誤差小，而且計(jì)算方法簡(jiǎn)單，軟件工作量最少，而且也不受線張力(line tension)的影響。只有在無(wú)法得到大液滴(L/D＞4)時(shí)，或特意研究小液滴時(shí)才使用第一、第二種方式。
由于以上四種方式中用的都是真實(shí)尺寸，所以在使用時(shí)還應(yīng)注意各真實(shí)尺寸與表觀尺寸的關(guān)系。對(duì)于方管來(lái)說(shuō)，二者是相同的；對(duì)于圓管軸向尺寸二者相同，但徑向真實(shí)尺寸應(yīng)用表觀尺寸除以外相液體的折射率，或用固定在外相液體中央的標(biāo)準(zhǔn)絲分別測(cè)定軸向與徑向的放大因子，對(duì)CCD圖象來(lái)說(shuō)就是分別標(biāo)定在軸向與徑向上的象素?cái)?shù)與實(shí)際長(zhǎng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
附表1旋轉(zhuǎn)滴法測(cè)定界面張力校正系數(shù)表利用旋轉(zhuǎn)滴法測(cè)定兩互不混溶流體的界面張力時(shí)，在儀器的旋轉(zhuǎn)軸心方向上的旋轉(zhuǎn)滴長(zhǎng)度(亦稱為旋轉(zhuǎn)滴的長(zhǎng)軸)記作L，短軸(垂直于旋轉(zhuǎn)管方向的最大直徑，亦稱為赤道直徑)記作D。
當(dāng)L/D≥4時(shí)，計(jì)算界面張力的基本公式為γ＝1/4Δρω2r3(L/D≥4)(1)其中γ界面張力 單位N·m-1Δρ單位Kg.m-3ω 單位rad·S-1r 單位m當(dāng)L/D＜4時(shí)，需加校正系數(shù)f(L/D)。
(1)式變?yōu)棣茫?/4Δρω2r3f(L/D) (2)式中的校正系數(shù)f(L/D)是L/D的函數(shù)，是無(wú)因次的。
我們根據(jù)前人的工作，通過(guò)再計(jì)算，整理出該表，用于(2)式中f的確定。當(dāng)然，為了提高測(cè)量精度及減少工作量，建議在可能的情況下(如提高轉(zhuǎn)速或加大油滴體積)，盡可能形成L/D≥4的長(zhǎng)液滴，用式(1)計(jì)算界面張力。
附表1.
L/D fL/D fL/D fL/D fL/D f1.00598.541 1.0906.0651.2452.5871.8091.2592.6511.0461.00865.002 1.0935.9181.2522.5321.8211.2512.6891.0421.01048.585 1.0955.7741.2592.4781.8341.2442.7321.0391.01338.529 1.0985.6371.2672.4251.8481.2362.7831.0361.01631.852 1.1005.5041.2752.3721.8631.2282.8471.0321.01927.025 1.1035.3731.2832.3211.8781.2202.9311.0271.02223.492 1.1065.2491.2922.2681.8951.2123.0511.0221.02520.707 1.1095.1281.3012.2181.9131.2043.0671.0221.02917.511 1.1115.0131.3112.1881.9321.1953.0831.0211.03116.633 1.1144.8991.3212.1681.9541.1863.1011.0201.03315.840 1.1174.7891.3322.0691.9771.1773.1191.0191.03415.122 1.1204.6831.3442.0202.0031.1663.1391.0191.03614.453 1.1234.5811.3561.9712.0321.1563.1611.0181.03813.838 1.1264.4811.3701.9222.0651.1463.1841.0171.03913.258 1.1304.3821.3841.8732.1031.1353.2101.0161.04112.730 1.1334.2881.4001.8252.1491.1223.2381.0161.04312.226 1.1364.1971.4171.7762.1591.1203.2691.0151.04411.766 1.1404.1071.4361.7272.1691.1173.3041.0141.04611.340 1.1434.0191.4571.6792.1801.1153.3451.0131.04810.931 1.1473.9351.4811.6292.1921.1123.3921.0121.05010.544 1.1503.8531.5081.5782.2041.1093.4491.0111.05210.185 1.1543.7731.5391.5262.2171.1063.5201.0101.0549.8511.1583.6931.5761.4732.2301.1033.6151.0081.0559.5311.1623.6161.6211.4172.2451.1013.6381.0081.0579.2241.1663.5411.6781.3592.2601.0983.6641.0071.0598.9371.1703.4681.6851.3522.2761.0953.6921.0071.0618.6711.1753.3961.6921.3462.2931.0913.7231.0071.0638.4211.1793.3271.6991.3402.3111.0883.7591.0061.0658.1631.1843.3251.7061.3332.3311.0853.7991.0061.0677.9261.1883.1911.7141.3272.3521.0813.8461.0051.0707.7031.1933.1261.7221.3212.3751.0773.9021.0051.0727.4901.1983.0611.7301.3142.4011.0743.9731.0051.0747.2831.2032.9981.7381.3072.4291.0703.9811.0041.0767.0871.2092.9361.7471.3012.4611.0663.9891.0041.0786.8981.2142.8751.7561.2942.4971.0613.9981.0041.0816.7201.2202.8161.7661.2872.5391.0564.0001.0041.0836.5471.2262.7571.7761.2802.5631.0541.0856.3771.2322.6991.7871.2732.5901.0511.0886.2211.2382.6421.7981.2662.6191.049
權(quán)利要求
1.一種水平旋轉(zhuǎn)滴法測(cè)定接觸角的方法，其特征在于使用有數(shù)碼圖象系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制、測(cè)定裝置的旋轉(zhuǎn)滴界面張力/接觸角測(cè)定儀；在旋轉(zhuǎn)管一端裝入鑲有待測(cè)材料基片的密封塞，該基片待測(cè)光滑平面應(yīng)與旋轉(zhuǎn)管軸心垂直，管中注入固-液-氣體系中的液體或固-液-液體系中的高密度液體，旋轉(zhuǎn)管另一端用裝樣塞塞緊，用注射器通過(guò)裝樣塞的小孔注入一定量的氣體或低密度液體，用硅膠墊密封，并以輔助配件壓緊，將裝樣旋轉(zhuǎn)管放入旋轉(zhuǎn)軸中，再用鎖緊帽鎖緊，開啟儀器，使旋轉(zhuǎn)管在一定轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)，使管中氣體或低密度液體形成自由滴；調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)管的水平使管中氣體或低密度液體接觸待測(cè)固體平面后，再調(diào)回水平，根據(jù)不同的測(cè)量、計(jì)算方式，編制相應(yīng)的軟件，通過(guò)接觸固體前后氣泡或液滴的特征尺寸，測(cè)定固-液-氣或固-液-液接觸角；(1)第一種方式根據(jù)小的自由滴的尺寸測(cè)定張力，測(cè)量接觸滴的接觸直徑Dc及赤道直徑D計(jì)算接觸角；無(wú)論是大液滴還是小液滴，當(dāng)接觸角小于90度時(shí)赤道直徑與最大直徑相等，如果接觸角大于90度液滴呈鐘形，其赤道直徑是鐘形液滴拐點(diǎn)處直徑；小液滴的概念是液滴全部出現(xiàn)在光學(xué)顯微鏡或CCD視野內(nèi)，實(shí)際上對(duì)液滴的長(zhǎng)與寬之L/D無(wú)限制；a.首先在旋轉(zhuǎn)管中形成一自由旋轉(zhuǎn)滴或氣泡，即液滴或氣泡兩端都不與固體接觸，當(dāng)旋轉(zhuǎn)滴或氣泡形成一定時(shí)間后，界面張力不再隨時(shí)間變化，此時(shí)測(cè)定的接觸角是平衡的液-液或液-氣界面張力下的接觸角；在旋轉(zhuǎn)軸水平條件下測(cè)定液滴之長(zhǎng)L＝2x0，寬D＝2y0，通過(guò)計(jì)算機(jī)程序，由下式計(jì)算界面張力γ＝1/4Δρω2y03f式中Δρ為兩液相或氣液兩相之間的密度差，ω為體系旋轉(zhuǎn)的角速度，f為校正系數(shù)，由L/D即x0/y0決定；f值可用兩種方式得出從附表中直接查找或根據(jù)附表編制一個(gè)簡(jiǎn)單的插值程序求出；或編制解旋轉(zhuǎn)滴條件下的Laplace方程的數(shù)值積分程序，由給定的α值計(jì)算x0/y0，修正α使計(jì)算得到的x0/y0與使用測(cè)定的x0/y0相等，則根據(jù)最后計(jì)算過(guò)程中得到的cr3與y0/r推算出f＝1/(cy03)＝1/[(cr3)*(y0/r)3]。b.當(dāng)γ基本不變后，使旋轉(zhuǎn)軸傾斜約5度，使液滴與待測(cè)固體表面接觸，然后再調(diào)回水平狀態(tài)，穩(wěn)定后測(cè)定液滴的赤道直徑D及接觸直徑Dc，令Rc＝Dc/D及Λ＝Δρω2y03/8γ可由下式計(jì)算出外相液體在固體表面的接觸角θsinθ＝Rc(1+Λ-ΛRc3)在接觸直徑大于D的情況下，須根據(jù)液滴輪廓線的拐點(diǎn)確定D；因此，相應(yīng)的測(cè)定接觸角的計(jì)算機(jī)軟件應(yīng)包括測(cè)量自由液滴的x0，y0，接觸液滴的赤道直徑D及接觸直徑Dc，計(jì)算表面或界面張力，當(dāng)然還需要采集測(cè)定時(shí)儀器的轉(zhuǎn)速ω及輸入兩個(gè)流體相之間的密度差Δρ，計(jì)算接觸角；(2)第二種方式根據(jù)小自由滴尺寸測(cè)定張力及體積v，通過(guò)測(cè)量接觸滴的y0＝D/2與實(shí)際長(zhǎng)度h測(cè)定接觸角；此法在接觸直徑太小，或靠近固體表面處圖象不太清晰，其測(cè)定精度受到影響的情況下使用，具體步驟如下a.按Cayias等人的方法求出自由液滴的各項(xiàng)參數(shù)，計(jì)算其體積v；b.測(cè)量接觸滴的y0及實(shí)際長(zhǎng)度h；c.由接觸滴的y0及界面張力由γ＝1/4Δρω2y03f式推算出f，進(jìn)而推算x0/y0，以及長(zhǎng)軸半徑x0，形狀參數(shù)α，自由端頂點(diǎn)曲率半徑ρ0，液滴殘缺高度x＝2x0-h，無(wú)因次長(zhǎng)軸半徑X0＝x0/ρ0，無(wú)因次殘缺長(zhǎng)度X＝x/ρ0，無(wú)因次全滴體積V，即與接觸滴的x0，y0相同的自由旋轉(zhuǎn)滴的無(wú)因次體積，無(wú)因次實(shí)際體積Vrel＝v/ρ03其中的v由接觸前實(shí)際自由滴的體積得到，則可按下式計(jì)算θcosθ=X0-X-3α4π(Vref-V/2)]]>(3)第三種方式測(cè)量大液滴的D與Dc，計(jì)算接觸角。大液滴的概念是L/D＞4；此時(shí)自由液滴與固體接觸后D基本不變；γ＝1/4Δρω2y03f式中的f＝1，即γ＝1/4Δρω2y03接觸角計(jì)算公式為sinθ＝(3Rc-Rc3)/2(4)第四種方式測(cè)量大液滴的D、Δx與Db，計(jì)算接觸角。當(dāng)接觸直徑不易測(cè)準(zhǔn)時(shí)，可在距固體表面Δx處作與基面平行的平面bb，該平面與旋轉(zhuǎn)滴輪廓線相交所成圓直徑為Db，Db與液滴赤道直徑D之比為Rb＝Db/D進(jìn)而計(jì)算Rxb=33ln4-Rb2+34-Rb2-3-4-Rb2+C]]>其中Rxb=Xb/Y0=xb/y0=2Xb/3,C=2-33ln2+32-3=0.479]]>按下式計(jì)算無(wú)因次殘缺長(zhǎng)度Rxc，Rxc=Xc/Y0=(xb-Δx)/y0=Rxb-Δx/y0]]>將Rxc代入下式，計(jì)算出RcRxc=321n4-Rc2+34-Rc2-3-324-Rc2+C,]]>再由式sinθ＝(3Rc-Rc3)/2 計(jì)算θ。
2.一種水平旋轉(zhuǎn)滴法測(cè)定接觸角的裝置，它由具有讀數(shù)顯微鏡、或顯微鏡與電子讀數(shù)尺、或CCD數(shù)碼圖象系統(tǒng)及相應(yīng)的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理程序或顯微照相機(jī)組成的旋轉(zhuǎn)滴界面張力/接觸角測(cè)定儀；其特征在于該裝置為圓柱形旋轉(zhuǎn)管或方旋轉(zhuǎn)管，使用圓柱形旋轉(zhuǎn)管時(shí)，旋轉(zhuǎn)軸內(nèi)徑大于8mm，以便能裝入特制旋轉(zhuǎn)管，旋轉(zhuǎn)管材料為光學(xué)上均勻，不至于使觀察到的液滴輪廓變?yōu)椴灰?guī)則的玻璃或石英玻璃，內(nèi)徑6～10mm，外徑8～14mm，一端配有聚四氟乙烯材料制成的裝樣塞，另一端配有可以更換待測(cè)材料基片的密封塞；當(dāng)該被測(cè)固體易于加工為密封塞時(shí)，該密封塞可為待測(cè)接觸角所需固體材料制成；當(dāng)待測(cè)接觸角所需固體僅僅被加工為圓柱或基片時(shí)，該密封塞主體可用聚四氟乙烯或其他材料制成，可將固體圓柱或圓片鑲嵌或粘貼在密封塞的內(nèi)端面；無(wú)論是哪一種情況，必須保證待測(cè)接觸角所需固體材料平面光滑并與旋轉(zhuǎn)管軸心垂直。為了密封性良好，密封塞和裝樣塞都可以加配合適的橡膠圈，裝樣塞外側(cè)設(shè)有硅膠墊密封。
全文摘要
一種水平旋轉(zhuǎn)滴法測(cè)定接觸角的方法。它利用旋轉(zhuǎn)滴界面張力/接觸角測(cè)定儀，在旋轉(zhuǎn)管一端裝入鑲有待測(cè)材料基片的密封塞，管中注入固—液—?dú)怏w系中的液體或固—液—液體系中的高密度液體，旋轉(zhuǎn)管另一端用裝樣塞塞緊。用注射器通過(guò)裝樣塞的小孔注入一定量的氣體或低密度液體，將裝樣旋轉(zhuǎn)管放入旋轉(zhuǎn)軸中，再用鎖緊帽鎖緊。開啟儀器，使旋轉(zhuǎn)管在一定轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)，使管中氣體或低密度液體形成自由滴。調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)管的水平使管中氣體或低密度液體接觸待測(cè)固體平面后，再調(diào)回水平。根據(jù)不同的測(cè)量、計(jì)算方式，編制相應(yīng)的軟件，通過(guò)接觸固體前后氣泡或液滴的特征尺寸，測(cè)定固—液—?dú)饣蚬獭骸航佑|角。本發(fā)明解決了用原來(lái)的方法很難測(cè)定的一些體系的接觸角測(cè)定問(wèn)題，并能保證其測(cè)量的精度及準(zhǔn)確度。
文檔編號(hào)G01N13/02GK1419116SQ0215875
公開日2003年5月21日 申請(qǐng)日期2002年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月26日
發(fā)明者張禹負(fù), 劉華 申請(qǐng)人:劉華, 張禹負(fù)