CN105571993A - 测量液滴接触角的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量液滴接触角的方法，其中包括：从与待测液滴所在表面呈预定角度β的方向获取待测液滴的液滴轮廓线；确定所述液滴轮廓线的最大宽度W和最大高度L，沿所述最大宽度W所在的直线建立y轴，沿所述最大高度L建立x轴，所述y轴与x轴组成坐标系；对所述液滴轮廓线进行图形拟合，将所述液滴轮廓线分为圆形部和椭圆形部，若所述y轴与所述椭圆形部的长轴重合，则所述待测液滴为亲水状态，若所述y轴与所述圆形部的直径重合，则所述待测液滴为疏水状态；根据所述预定角度β、所述最大宽度W和最大高度L，判断所述待测液滴为亲水状态或疏水状态，并计算得到接触角θ。

Description

测量液滴接触角的方法

技术领域

本发明涉及表征界面湿润性质的测量技术，具体地，涉及一种测量液滴接触角的方法。

背景技术

各种材料表征出的界面湿润性质是现代物理化学领域内研究的重点，其中，将液滴滴在材料表面，观测液滴的接触角是研究界面润湿性质的一种方式，并且，液滴接触角是代表材料的界面湿润性质的重要参数。目前，传统的接触角测量仪和测量技术要求在对液滴表观接触角进行测量时，液滴需滴在平坦、水平的基底上，测量仪的观测方向与基底所在平面平行，观测得到的应为液滴的侧视图。

传统的液滴滴定设备例如注射器、移液枪可以在材料表面上滴定尺度在几百微米以上的液滴，上述观测方法能够对这类液滴进行有效、可靠的观测，准确的获得液滴与材料表面的接触角。所以，本领域技术人员通常采用上述方式进行观测。

随着界面润湿性质的研究逐渐发展，本领域技术人员发现，实际材料由于粗糙度、晶界、缺陷等的影响，大液滴的接触角往往无法反映出材料的本征界面湿润性质。所以，本领域技术人员开始尝试在材料表面形成尺度更小的液滴，对小液滴的接触角进行观测，进而对材料的界面湿润性质进行更精确、细致的研究。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种测量液滴接触角的新技术方案。

根据本发明的第一方面，提供了一种测量液滴接触角的方法，其中包括：

从与待测液滴所在表面呈预定角度β的方向获取待测液滴的液滴轮廓线；

确定所述液滴轮廓线的最大宽度W和最大高度L，沿所述最大宽度W所在的直线建立y轴，沿所述最大高度L建立x轴，所述y轴与x轴组成坐标系；

对所述液滴轮廓线进行图形拟合，将所述液滴轮廓线分为圆形部和椭圆形部，若所述y轴与所述椭圆形部的长轴重合，则所述待测液滴为亲水状态，若所述y轴与所述圆形部的直径重合，则所述待测液滴为疏水状态；

根据所述预定角度β、所述最大宽度W和最大高度L，以及所述待测液滴为亲水状态或疏水状态，计算得到接触角θ。

优选地，所述预定角度β小于45°。

优选地，采集待测液滴的液滴图像，根据所述液滴图像提取所述液滴轮廓线。

优选地，圆形部的圆心在x轴的坐标为x_s，椭圆形部的圆心在x轴的坐标为x_e，若x_s为0，则所述y轴与所述圆形部的直径重合，若x_e为0，则所述y轴与所述椭圆形部的长轴重合。

本发明的发明人采用冷凝的方式形成尺度更小的液滴，以对材料的界面润湿性质进行更细致的研究。但是，本发明的发明人发现，冷凝形成液滴会在材料表面上形成大量小液滴，如果仍用传统的方法从平行于材料表面的方向观测液滴，则会出现液滴间相互遮挡、难以获取清晰的液滴轮廓线的情况。而在现有技术中，本领域技术人员通过小尺度液滴研究材料界面润湿性质的技术刚刚起步，并没有提出需要改进观测方法的技术问题。因此，本发明所要实现的技术任务或者所要解决的技术问题是本领域技术人员从未想到的或者没有预期到的，故本发明是一种新的技术方案。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。

图1是本发明具体实施例中提取的液滴轮廓线的示意图；

图2是本发明具体实施例中确定所述液滴轮廓线的最大宽度和最大高度的示意图；

图3是本发明具体实施例中将所述液滴轮廓线分成圆形部和椭圆形部的示意图；

图4是本发明具体实施例中观测亲水状态的待测液滴的立体示意图；

图5是本发明具体实施例中观测疏水状态的待测液滴的立体示意图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

本发明提供了一种测量液滴接触角的方法，不同于传统的液滴接触角测量方法，本发明的方法可以以倾斜于液滴所在表面形式对液滴的接触角进行观测、计算。首先，从与待测液滴所在的表面呈预定角度β的方向获取待测液滴的液滴轮廓线，所述液滴轮廓线为待测液滴从预定角度β方向观测时外轮廓构成的闭合线条，如图1所示。之后，确定所述液滴轮廓线上的最大宽度W和最大高度L。特别地，在所述液滴轮廓线上，沿着最大宽度W的左右两端的连线建立y轴，沿着最大高度L的上下两端的连线建立x轴，所述y轴与x轴垂直，如图2所示。所述x轴与y轴形成直角坐标系，该直角坐标系用于分析、计算待测液滴的接触角θ。在材料表面的待测液滴整体呈球冠结构，所以从倾斜的角度观察，待测液滴的液滴轮廓线理论上可以分解成圆形的一部分和椭圆形的一部分。所以，进一步地，对所述液滴轮廓线进行图形拟合，将所述液滴轮廓线拆分成圆形部和椭圆形部，所述圆形部与椭圆形部对接形成完整的液滴轮廓线。此时，可以通过所述y轴在所述液滴轮廓线中的位置对液滴的亲、疏水状态进行判断。如果所述y轴位于所述椭圆形部上，与椭圆形部的长轴重叠，如图3所示，则所述待测液滴为亲水状态；若所述y轴位于所述圆形部上，与圆形部的直径重叠，则所述待测液滴为疏水状态。最后，如果待测液滴为亲水状态，则可以根据方程：计算接触角θ，如果待测液滴为疏水状态，则可以根据方程：计算接触角θ。在本发明的图1-3示出实施例中，所述y轴与椭圆形部的长轴重叠，则说明待测液滴为亲水状态。所以，可以根据已知的预定角度β，以及观测得到的最大宽度W和最大高度L计算得到接触角θ。本发明并不对以上计算方程进行限制，通过本发明的方法进行观测并得知预定角度、最大宽度、最大高度以及液滴状态的情况下，本领域技术人员还可以采用其它计算原理得到所述接触角。

本发明提供了一种新的液滴接触角测量方法，不同于传统的接触角测量方法，本发明无需从平行于待测液滴所在表面的方向对待测液滴进行观测，而是以倾斜于表面预定角度β的方式进行观测。所以，本发明的方法适用于测量无法用传统测量方法测量的液滴的接触角。本发明的发明人通过冷凝的方法产生液滴，这种方法产生的液滴尺度只有十几微米甚至更小，远远小于传统的注射器、移液枪形成的液滴的尺度。这种较小的液滴能够落在单个平坦的单晶区域，其接触角能够更准确的反映材料的界面湿润性质。但是，冷凝形成液滴的方式无法单独形成一个液滴，而是会同时形成一片液滴，这就造成了如果采用传统的观测方法，各个液滴之间会出现相互遮挡的情况，难以从平行于材料表面的方向观测到单个、清晰完整的液滴。而本发明提供的方法是从倾斜于材料表面的方向进行观测，避免了液滴相互遮挡的现象。特别地，本发明提供的方法还可以同时观测一片区域中的多个液滴，在能够保证观测设备的成像性能的情况下，可以提取到多个待测液滴的液滴轮廓线，从而省去了反复观测的步骤。

特别地，由于本发明所用的计算方程的限制，在所述待测液滴为亲水状态时，所述预定角度β应小于所述接触角θ；在所述待测液滴为疏水状态时，所述预定角度β应小于π-θ。在实施本发明提供的方法时，该角度关系可以得到验证，如果不符合该角度关系，则在计算过程中可以明显的得知该问题，只需减小预定角度β即可。如上所述，由于本领域技术人员通常不会事先得知接触角θ，所以，为了尽量使本发明提供的方法能够得到准确的结果，所述预定角度β优选小于45°，更优地，所述预定角度β可以小于35°。

具体地，为了提高本发明的方法的准确性，在提取所述液滴轮廓线的步骤中，可以先对待测液滴进行拍照，采集到液滴图像。之后，再通过利用图像分析软件分析等手段对所述液滴图像进行处理，最终提取准确的液滴轮廓线。

优选地，如图1-4所示，从预定角度对液滴进行观测，可以得到斜向的液滴轮廓线。图1示出的是如图4进行观测后得到的轮廓线。由于液滴呈球冠结构，而在理论上，球冠的斜视图可以分为圆形部和椭圆形部。所以，在所述液滴轮廓线的最大宽度处建立直角坐标系，例如，y轴为最大宽度W所在的直线，x轴为最大高度L所在的直线，则圆形部和椭圆形部应满足以下方程：

(x-x_s)²+y²＝R_s ²(1)

${\left(\frac{x-x_e}{b}\right)}^2+{\left(\frac{y}{a}\right)}^2=1---\left(2\right)$

在方程(1)、(2)中，R_s代表圆形部的半径，x_s代表圆形部的圆心在x轴的位置，a和b分别代表椭圆形部的长半轴和短半轴，x_e代表椭圆形部的圆心在x轴的位置。

进一步地，经过分析计算，如果待测液滴是亲水状态的，如图4所示，则R_s＝R，R代表待测液滴的球冠半径，圆形部半径R_s是弧线DAE的半径；x_s＝Rcosθcosβ；a＝Rsinθ，长半轴a等于线段MN的二分之一；b＝Rsinθsinβ，短半轴b等于从观测点O观察点F到点G的距离；x_e＝0。从以上数据可知，液滴轮廓线上的椭圆形部的长轴与y轴重叠，所述液滴轮廓线的最大宽度W在所述椭圆形部上，即如图2所示。如果待测液滴是疏水状态的，如图5所示，则R_s＝R，R代表液滴球冠的半径，圆形部半径R_s是弧线DMANE的半径，即线段MN的二分之一；x_s＝0；x_e＝-Rcosθcosβ。从以上数据可知，液滴轮廓线上的圆形部的半径与y轴重叠，所述液滴轮廓线的最大宽度W在所述圆形部上，本发明中未示出与这种情况相同的液滴轮廓线。通过以上分析过程，可以准确的将所述液滴轮廓线分成圆形部和椭圆形部，进而通过y轴在液滴轮廓线中的位置判断待测液滴的亲水、疏水状态。

对于亲水状态的待测液滴，可以计算得出最大高度L＝R[1-cos(θ+β)]，最大宽度W＝2Rsinθ；对于疏水状态的待测液滴，可以计算得出最大高度L＝R[1-cos(θ+β)]，最大宽度W＝2R。所以，能够得到如下方程：

$\frac{L}{W}=\frac{1-\cos (\mathrm{\θ}+\mathrm{\β})}{2\sin \mathrm{\θ}}$ (亲水状态)(3)

$\frac{L}{W}=\frac{1-\cos (\mathrm{\θ}+\mathrm{\β})}{2}$ (疏水状态)(4)

根据方程(3)、(4)可以在得知最大宽度W、最大高度L以及预定角度β的情况下，获得接触角θ。

虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (4)

1.一种测量液滴接触角的方法，其特征在于，包括：

从与待测液滴所在表面呈预定角度β的方向获取待测液滴的液滴轮廓线；

确定所述液滴轮廓线的最大宽度W和最大高度L，沿所述最大宽度W所在的直线建立y轴，沿所述最大高度L建立x轴，所述y轴与x轴组成坐标系；

对所述液滴轮廓线进行图形拟合，将所述液滴轮廓线分为圆形部和椭圆形部，若所述y轴与所述椭圆形部的长轴重合，则所述待测液滴为亲水状态，若所述y轴与所述圆形部的直径重合，则所述待测液滴为疏水状态；

根据所述预定角度β、所述最大宽度W和最大高度L，以及判断得到的所述待测液滴为亲水状态或疏水状态，计算得到接触角θ。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预定角度β小于45°。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采集待测液滴的液滴图像，根据所述液滴图像提取所述液滴轮廓线。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，圆形部的圆心在x轴的坐标为x_s，椭圆形部的圆心在x轴的坐标为x_e，若x_s为0，则所述y轴与所述圆形部的直径重合，若x_e为0，则所述y轴与所述椭圆形部的长轴重合。