CN105092427A - 一种黏附力测量方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种黏附力测量方法和装置，选用两根高弹性钢丝，一根钢丝的一端固定于压电微悬臂梁传感器上，两根钢丝靠近的一端分别黏结一个微粒；两个微粒的接触点上滴加有液体；通过毫伏发生器使压电微悬臂梁传感器发生弯曲，带动相连的钢丝和黏附于其上的微粒一起匀速移动，两个微粒逐渐分开，微粒间的液体形成液桥；压电微悬臂梁传感器弯曲所输出的电压通过示波器采集和记录，实现拉力即微小黏附力的测量。本发明组成、结构合理，操作简便，测量准确，可真正实现液桥作用下两个微粒间微小黏附力的测量，并对此种黏附力的理论分析提供验证。本发明可用于黏附力的分析，对于PM2.5的强化团聚或纳米颗粒的解团聚提供数据支撑和定量分析。
Description
技术领域
本发明属于微力测量领域，特别涉及一种黏附力测量方法和装置。
背景技术
微粒团聚是化工、材料和环保领域常见的一种现象。在除尘时，颗粒粒径越大越容易收集，反之难收集，因此将PM2.5等微粒团聚，使其直径变大利于除尘；而且团聚形成的团聚体越紧密，越难被再次分散和破坏。衡量微粒团聚效果的根源是团聚微粒间的微小黏附力。微粒间的微小黏附力主要包括范德华力、液桥力、静电力和磁场力等，在润湿条件下，液桥力比其它几种力高1-2个数量级，因此为使微粒形成更紧密的团聚体，通过液桥形成的黏附力是很有效的方法。由于微粒很小，微粒间的微小黏附力也很小，微小黏附力的大小在微牛顿量级，且黏附力随微粒间距的增加而变化，因此测量黏附力尤其是测量两颗粒间液桥的黏附力很困难。而若要得到微小黏附力的变化规律，必须测量两颗粒间在液桥作用下的微小黏附力。压电陶瓷常用于测力，但其很难测量微牛顿量级的微小力。原子力显微镜只能测量显微镜探针和颗粒表面形成液膜的黏附力。美国专利“Apparatusformeasuringcohesionforceofparticulatematerials”（US4279165）可以用来测量颗粒间作用力，但这种测量装置将许多颗粒放在一起，由于大量颗粒很难有相同的粒径，因此这种装置只能反映某个粒径范围内的黏附力，而无法反映两个颗粒间的实际黏附力。微悬臂梁传感器能测微牛顿量级的微力，比如中国专利“微悬臂梁接触粘附的临界接触长度和粘附力的测量结构”（CN102980506B），但其结构复杂，难以用来测量两个微粒间在液桥作用下的黏附力。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术的不足，提出一种组成、结构合理，操作简便，测量准确，效率高的微小黏附力测量方法和装置。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：
一种黏附力测量方法，其特征在于：其包括以下步骤：选用两根高弹性钢丝，一根钢丝固定在工作台上，另一根钢丝的一端固定于压电微悬臂梁传感器上，保持两根钢丝位于同一直线上，两根钢丝靠近的一端分别黏结一个微粒；两个微粒的接触点上滴加有液体；通过毫伏发生器或显微操纵器使压电微悬臂梁传感器发生定量弯曲；弯曲的压电微悬臂梁传感器带动相连的钢丝和黏附于其上的微粒一起移动，两个微粒逐渐分开，微粒间的液体形成液桥；压电微悬臂梁传感器弯曲所输出的电压通过示波器采集和记录，通过压电微悬臂梁传感器的标定得到微粒被压电微悬臂梁传感器拉动时的拉力大小，匀速拉动时，此拉力等于微小黏附力；随着液桥被拉伸，液桥变细并最终断裂，测量结束。
进一步，所述压电微悬臂梁传感器经过标定，得到输出电压与弯曲量所产生拉力的关系，通过示波器得到微粒被压电微悬臂梁传感器拉动时的拉力大小。
本发明解决上述技术问题采用的另一技术方案是：
一种黏附力测量装置，其特征在于：其包括工作台，操作室，两根高弹性的钢丝，压电微悬臂梁传感器，示波器，毫伏发生器或显微操纵器；所述操作室位于具有温控和减震功能的工作台上方，操作室两侧设有侧孔，所述其中一根钢丝固定在工作台上，另一根钢丝的一端固定于压电微悬臂梁传感器上，保持两根钢丝位于同一直线上，两根钢丝从操作室侧孔伸进操作室内，靠近的一端分别黏结一个微粒；两个微粒的接触点上滴加有液体；所述压电微悬臂梁传感器顶部固定，并通过电线与示波器连接，压电微悬臂梁传感器下部与毫伏发生器或显微操纵器连接；通过毫伏发生器或显微操纵器使压电微悬臂梁传感器发生定量弯曲；弯曲的压电微悬臂梁传感器带动相连的钢丝和黏附于其上的微粒一起移动，两个微粒逐渐分开，微粒间的液体形成液桥；压电微悬臂梁传感器弯曲所输出的电压通过示波器采集和记录，通过压电微悬臂梁传感器的标定得到微粒被压电微悬臂梁传感器拉动时的拉力大小，匀速拉动时，此拉力等于黏附力，从而实现微小黏附力的测量。
本发明组成、结构合理，操作简便，测量准确，效率高，可真正实现两个微粒间微小黏附力的测量；进而得到两个等径或不等径微粒间，不同液体种类和加入量下黏附力大小和黏附力变化规律。本发明适用于液桥力以及其所产生黏附力的分析，可以验证液桥力和黏附力的理论公式。可用于微粒团聚领域，对于PM2.5的去除场合，通过本发明可以找到增强团聚效果的方法，从而生成不易破坏的硬团聚体；而对于纳米颗粒等需要解团聚的领域，对解团聚提供数据支撑，并可对团聚领域的力学机理进行进一步的定量分析。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步说明。
图1是本发明装置的组成结构示意图。
图2是本发明测量状态的一种示意图。
图3是本发明测量状态的另一种示意图。
图中的标号是：1.工作台，2.钢丝，3.操作室，4.微粒，5.微量移液管，6.微粒，7.钢丝，8.示波器，9.压电微悬臂梁传感器，10.毫伏发生器，11.液桥，12.显微操纵器。
具体实施方式
一种黏附力测量方法，其包括以下步骤：选用两根高弹性的钢丝，一根钢丝固定在工作台上，另一根钢丝的一端固定于压电微悬臂梁传感器上，保持两根钢丝位于同一直线上，两根钢丝靠近的一端分别黏结一个微粒；两个微粒的接触点上滴加有液体；通过毫伏发生器或显微操纵器使压电微悬臂梁传感器发生定量弯曲；弯曲的压电微悬臂梁传感器带动相连的钢丝和黏附于其上的微粒一起移动，两个微粒逐渐分开，微粒间的液体形成液桥；压电微悬臂梁传感器弯曲所输出的电压通过示波器采集和记录，通过压电微悬臂梁传感器的标定得到微粒被压电微悬臂梁传感器拉动时的拉力大小，匀速拉动时，此拉力等于微小黏附力；随着液桥被拉伸，液桥变细并最终断裂，测量结束。
进一步，所述压电微悬臂梁传感器经过标定，标定的原理为胡克定律，标定得到输出电压与弯曲量所产生拉力的关系，通过示波器得到微粒被压电微悬臂梁传感器拉动时的拉力大小。
如图1所示，一种黏附力测量装置，其包括工作台1，操作室3，两根高弹性的钢丝2、7，压电微悬臂梁传感器9，示波器8，毫伏发生器10或显微操纵器12；所述工作台1具有具有温控和减震功能。工作台1可以放于地面，其可以减轻地面震动对测量造成的影响，从而减少测量误差；从而使测量在恒定温度下进行。工作台1上放置操作室3。为减少操作室3的散热，只在朝向实验人员的一侧用玻璃制作，操作室3的另外三个侧面和顶面内部为保温材料，外部用铁皮包裹。操作室3两个保温的对应侧面开口，用于插入微粒连接支撑的钢丝2和钢丝7；顶部中心开口，用于显微镜的观察，以及微量移液管5在操作室3的滴液操作。钢丝2和钢丝7弹性高，不弯曲，且其端部足够细以黏结一个微粒。所述其中一根钢丝2固定在工作台1上，另一根钢丝7的一端固定于压电微悬臂梁传感器9上，保持两根钢丝2、7位于同一直线上，两根钢丝从操作室侧孔伸进操作室内，靠近的一端分别黏结一个微粒；具体是钢丝2黏结微粒4，微粒4是静态微粒；钢丝7黏结微粒6，微粒6是动态微粒。两个微粒4、6的接触点上通过微量移液管6滴加有液体。所述压电微悬臂梁传感器9垂直放置，顶端固定并与示波器8通过电线连接。压电微悬臂梁传感器9下部与毫伏发生器10通过电线连接，毫伏发生器10产生毫伏级直流电压从而使压电微悬臂梁传感器9弯曲。弯曲的压电微悬臂梁传感器带动相连的钢丝7和黏附于其上的微粒6一起移动，两个微粒逐渐分开，微粒间的液体形成液桥11。压电微悬臂梁传感器弯曲所输出的电压通过示波器采集和记录，通过压电微悬臂梁传感器的标定得到微粒被压电微悬臂梁传感器拉动时的拉力大小，实现微小黏附力的测量。本发明的操作在显微下完成。
如图2所示，毫伏发生器10产生直流电压使压电微悬臂梁传感器9弯曲，压电微悬臂梁传感器9带动钢丝7和固定于上的微粒6同时向右移动，使微粒4和微粒6由接触到分开。微粒4和微粒6之间的液体被拉伸，形成液桥11。随着压电微悬臂梁传感器9弯曲量的增加，液桥11逐渐延长变细，并最终断裂，压电微悬臂梁传感器9的弯曲停止。压电微悬臂梁传感器9由于弯曲所输出的电压通过示波器8采集和记录。由于液体量很少，液体被拉伸所形成的液桥11受重力产生的变形很小。
在测量微小黏附力前，对实验所使用的压电微悬臂梁传感器9进行标定，得到压电微悬臂梁传感器9在弯曲时输出的电压与拉力的关系曲线，通过示波器8显示的电压，就可以得到压电微悬臂梁传感器9弯曲所产生的拉力大小。微粒4和微粒6直径为几十微米甚至更小，所以液桥11由出现到断裂所移动的距离仅为毫米级甚至微米级，其所产生的拉力可认为是水平方向；根据受力分析，当拉动过程匀速时，此水平拉力即为两微粒在液桥作用下的微小黏附力。记录液桥11在产生到断裂过程中示波器8的电压，即可以计算出两个颗粒间液桥所形成的微小黏附力随着两微粒距离增加所产生的变化。
如图3，显微操纵器12代替毫伏发生器10，显微操纵器12与压电微悬臂梁传感器9用钢丝固定连接。显微操纵器12拉动钢丝使压电微悬臂梁传感器9弯曲，系统其它组成和操作方法与图2相同。
通过上述操作步骤可以得到两个等径或不等径微粒间，不同液体种类和加入量下的黏附力大小和黏附力随距离的变化规律，从而可以液桥力作用下的黏附力进行定量分析，并验证黏附力的理论结果。
对于两微粒之间，液桥作用下的毫牛或纳牛级微小黏附力的测量，现有的测量方法主要是通过原子力显微镜测量显微镜探针和单颗粒表面液膜的黏附力。由于探针和微粒的表面粗糙度，以及它们与液体接触角不同，这就造成了测量结果与实际情况的较大差别，对这种黏附力的分析造成了很大困难。本发明组成、结构合理，操作简便，测量准确，效率高，可真正实现两个微粒间微小黏附力的测量；进而得到两个等径或不等径微粒间，不同液体种类和加入量下黏附力大小和黏附力变化规律。本发明所提出的方法和装置适用于液桥力以及其所产生黏附力的分析，可以验证液桥力和黏附力的理论公式。可用于微粒团聚领域，对于PM2.5的去除场合，通过本发明可以找到增强团聚效果的方法，从而生成不易破坏的硬团聚体；而对于纳米颗粒等需要解团聚的领域，对解团聚提供数据支撑，并可对团聚领域的力学机理进行进一步的定量分析。
Claims (3)
1.一种黏附力测量方法，其特征在于：其包括以下步骤：选用两根高弹性的钢丝，一根钢丝固定在工作台上，另一根钢丝的一端固定于压电微悬臂梁传感器上，保持两根钢丝位于同一直线上，两根钢丝靠近的一端分别黏结一个微粒；两个微粒的接触点上滴加有液体；通过毫伏发生器或显微操纵器使压电微悬臂梁传感器发生定量弯曲；弯曲的压电微悬臂梁传感器带动相连的钢丝和黏附于其上的微粒一起移动，两个微粒逐渐分开，微粒间的液体形成液桥；压电微悬臂梁传感器弯曲所输出的电压通过示波器采集和记录，通过压电微悬臂梁传感器的标定得到微粒被压电微悬臂梁传感器拉动时的拉力大小，匀速拉动时，此拉力等于微小黏附力；随着液桥被拉伸，液桥变细并最终断裂，测量结束。
2.根据权利要求1所述的黏附力测量方法，其特征在于：所述压电微悬臂梁传感器经过标定，得到输出电压与弯曲量所产生拉力的关系，通过示波器得到微粒被压电微悬臂梁传感器拉动时的拉力大小。
3.一种黏附力测量装置，其特征在于：其包括工作台，操作室，两根高弹性的钢丝，压电微悬臂梁传感器，示波器，毫伏发生器或显微操纵器；所述操作室位于具有温控和减震功能的工作台上方，操作室两侧设有侧孔，所述其中一根钢丝固定在工作台上，另一根钢丝的一端固定于压电微悬臂梁传感器上，保持两根钢丝位于同一直线上，两根钢丝从操作室侧孔伸进操作室内，靠近的一端分别黏结一个微粒；两个微粒的接触点上滴加有液体；所述压电微悬臂梁传感器顶部固定，并通过电线与示波器连接，压电微悬臂梁传感器下部与毫伏发生器或显微操纵器连接；通过毫伏发生器或显微操纵器使压电微悬臂梁传感器发生定量弯曲；弯曲的压电微悬臂梁传感器带动相连的钢丝和黏附于其上的微粒一起移动，两个微粒逐渐分开，微粒间的液体形成液桥；压电微悬臂梁传感器弯曲所输出的电压通过示波器采集和记录，通过压电微悬臂梁传感器的标定得到微粒被压电微悬臂梁传感器拉动时的拉力大小，匀速拉动时，此拉力等于黏附力，从而实现微小黏附力的测量。
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