測量液體在固體表面的前進(jìn)接觸角、后退接觸角以及滯留力的方法及其裝置的制造方法
【專利說明】測量液體在固體表面的前進(jìn)接觸角、后退接觸角以及滯留 力的方法及其裝置
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明涉及測量液體在固體表面的液/流/固-界面參數(shù)的方法及其裝置，特別 是測量液體在固體表面的前進(jìn)接觸角、后退接觸角、潤濕性、附著力（adhesive force)和滯 留力（retention/retentive force)等液/流/固-界面參數(shù)的測量方法及其裝置。
【背景技術(shù)】
[0003] 液體在固體表面的潤濕性、接觸角及其滯后程度（contact angle hysteresis， CAH)以及液滴在固體表面的附著（adhesion)和滯留（retention)現(xiàn)象是重要的液/流/ 固-界面參數(shù)，涉及基礎(chǔ)理論研究和實(shí)際應(yīng)用的許多方面（Geoff Mercer et al.，Process Driven Models for Spray Retention by Plants. In Wake, G. (Ed. ) Proceedings of the 2006 Mathematics-In-Industry Study Group, 30 January - 3 February 2006, New Zealand, Auckland)，如農(nóng)藥在植物葉子表面的噴灑，蒸汽（水汽）在葉片/機(jī)翼表面的冷 凝，車窗玻璃表面的水珠聚集/滯留等。而液滴在固體表面的滯留力或保持力（retention/ retentive force)在這些現(xiàn)象和過程中均起著相當(dāng)關(guān)鍵的作用，而滯留力又與液滴在固體 表面的前進(jìn)接觸角和后退接觸角以及液滴在(傾斜)固體表面的形狀緊密相關(guān)。測量液滴在 固體表面的接觸角，尤其是前進(jìn)/后退接觸角也是衡量/表征液體在固體表面的潤濕性的 重要和目前最常用的手段。通過把一定體積的液滴置于一固體表面，然后不斷地傾斜固體 表面，同時觀測和測量該液滴的形狀和其在固體表面的位置的變化，在一定的條件下可以 從同一液滴獲得靜態(tài)接觸角、前進(jìn)接觸角、后退接觸角、和液滴開始發(fā)生滑動(或滾動）的最 低表面傾斜角度，從而獲得液滴在固體表面的接觸角滯后程度（CAH)和滯留力。這樣的測 量方法稱為傾斜臺方法（tilting stage method)，可以通過傾斜整體接觸角測量儀或其部 分組件(如只傾斜放置固體表面的樣品臺）來實(shí)現(xiàn)。這一測量方法的缺陷主要表現(xiàn)在：（a) 整體接觸角測量儀傾斜法非常笨重，不但需要實(shí)現(xiàn)體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的整套設(shè)備的傾斜， 而且在傾斜狀態(tài)下，有些部件(如加液裝置)無法正常工作；（b)不管是整體接觸角測量儀傾 斜法還是部分組件傾斜法，都無法保證液滴在傾斜過程中一定會發(fā)生滑動(或滾動)，也無 法保證液滴的上、下端三相接觸點(diǎn)發(fā)生移動。前者意味著不能保證測量獲得起始滑動/滾 動傾斜角，后者意味著無法測量得到前進(jìn)或后退接觸角；（c)傾斜臺法的另一個缺陷在于 測量得到的起始滑動/滾動傾斜角往往難以重復(fù)，這其中的部分原因在于許多可能的、關(guān) 聯(lián)的影響因素在這一測量過程中無法得到獨(dú)立、準(zhǔn)確的控制。比如在傾斜過程中無法保持 液滴對固體表面的正壓力的恒定，而后者可能會影響液滴在固體表面的滯留力，從而影響 起始滑動/滾動傾斜角。（d)傾斜臺法的最大驅(qū)動液滴發(fā)生滑動(或滾動）的力是液滴所受 到的自身重力（當(dāng)傾斜角為90度時)，如果液滴在此力作用下還不能發(fā)生相應(yīng)的運(yùn)動，就無 法實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的參量的測量，如前進(jìn)/后退接觸角、起始滑動/滾動傾斜角等。許多接觸角不 是很大，或雖然接觸角大但接觸角滯后程度（CAH)同樣也大的體系就無法通過傾斜臺法來 獲得相應(yīng)的參數(shù)。雖然可以通過不斷地增加液滴的體積來部分地影響這一過程(增加液滴 自身的重力)，但這同時也改變了液滴與固體表面的接觸面積，另外也受到很大的限制，不 是對如何體系都可以通過這一手段達(dá)到相應(yīng)的目的。
[0004] 當(dāng)前另一種測量液體在固體表面的前進(jìn)接觸角和后退接觸角的通用方法是采用 液滴體積增、減法，也就是通過緩慢地增加或減少液滴的體積迫使其三相接觸線發(fā)生移動 來測量移動發(fā)生前一瞬間的接觸角的方法。這一方法一般也只對接觸角較大的體系才適 用，而且在實(shí)際操作過程中也時常伴隨著種種問題（如液滴呈現(xiàn)嚴(yán)重不對稱性）;另外在測 量后退接觸角時浸埋在液滴中的毛細(xì)管的潤濕性將對測量結(jié)果產(chǎn)生影響，導(dǎo)致這一數(shù)值的 重復(fù)性往往不好。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于，提供一種測量液體在固體表面的前進(jìn)接觸角、后退接觸角以 及滯留力的方法及其裝置。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、測量范圍廣、測量準(zhǔn)確度高、可 重復(fù)性好的特點(diǎn)；此外，本發(fā)明能方便地被整合到普通的光學(xué)接觸角測量儀上，完成傳統(tǒng)的 傾斜臺測量法和液滴體積增減法無法完成的多種測量。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案：一種測量液體在固體表面的前進(jìn)接觸角、后退接觸角以及滯 留力的方法，將旋轉(zhuǎn)平面置于背景光源和攝像機(jī)鏡頭之間，旋轉(zhuǎn)平面上固定有待測固體試 樣，在待測固體試樣表面滴加單位液滴，當(dāng)旋轉(zhuǎn)平面旋轉(zhuǎn)至觸發(fā)位置時，攝像機(jī)得到觸發(fā)信 號對液滴進(jìn)行抓拍；根據(jù)攝像機(jī)抓拍到的液滴圖像計算液滴在該固定試樣表面的前進(jìn)接觸 角、后退接觸角以及滯留力。
[0007] 上述的測量液體在固體表面的前進(jìn)接觸角、后退接觸角以及滯留力的方法中，其 特征在于：當(dāng)液滴與旋轉(zhuǎn)中心在旋轉(zhuǎn)平面上的連線，與光源和攝像機(jī)組成的光學(xué)平臺的光 軸垂直時，旋轉(zhuǎn)平面所處的位置即為觸發(fā)位置。
[0008] 前述的測量液體在固體表面的前進(jìn)接觸角、后退接觸角以及滯留力的方法中，在 旋轉(zhuǎn)平面的旋轉(zhuǎn)軸上設(shè)置旋轉(zhuǎn)編碼器，旋轉(zhuǎn)編碼器檢測到旋轉(zhuǎn)平面位于觸發(fā)位置時，觸發(fā) 攝像機(jī)對液滴進(jìn)行抓拍。
[0009] 前述的測量液體在固體表面的前進(jìn)接觸角、后退接觸角以及滯留力的方法中，所 述的旋轉(zhuǎn)編碼器發(fā)出A相脈沖、B相脈沖和Z相脈沖，A相脈沖和B相脈沖用于實(shí)時檢測旋 轉(zhuǎn)平面的轉(zhuǎn)速，Z相脈沖用于實(shí)時檢測旋轉(zhuǎn)平面的旋轉(zhuǎn)位移，當(dāng)Z相脈沖檢測到旋轉(zhuǎn)平面位 于觸發(fā)位置時，旋轉(zhuǎn)編碼器經(jīng)控制器向攝像機(jī)發(fā)送觸發(fā)信號，觸發(fā)攝像機(jī)對液滴進(jìn)行抓拍。 [0010] 前述的測量液體在固體表面的前進(jìn)接觸角、后退接觸角以及滯留力的方法中，實(shí) 時檢測攝像機(jī)抓拍圖像的清晰度，當(dāng)清晰度不好時，以旋轉(zhuǎn)編碼器的Z相脈沖作為基準(zhǔn)，結(jié) 合旋轉(zhuǎn)編碼器檢測到的移動位移，控制器延遲或提前發(fā)送觸發(fā)信號，以調(diào)節(jié)所抓拍液滴圖 像的清晰度，從而提高液滴浸潤角的測量精度。
[0011] 前述的測量液體在固體表面的前進(jìn)接觸角、后退接觸角以及滯留力的方法中，在 旋轉(zhuǎn)平面的旋轉(zhuǎn)軸上設(shè)置光電傳感器，光電傳感器轉(zhuǎn)動過程中向控制器發(fā)送循環(huán)的脈沖信 號，控制器接收到光電傳感器的脈沖信號后，向攝像機(jī)發(fā)送觸發(fā)信號，觸發(fā)攝像機(jī)對液滴進(jìn) 行抓拍。
[0012] 前述的測量液體在固體表面的前進(jìn)接觸角、后退接觸角以及滯留力的方法