CN107764698A - 一种亲水多孔材料润湿性能的测试装置及测试方法 - Google Patents

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叶光照
韩福昌
王奥宇
汤勇
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Abstract

本发明公开了一种亲水多孔材料润湿性能的测试装置及测试方法。装置包括载物台、微量进样器，夹具和高速摄影机，夹具竖直夹持微量进样器，微量进样器垂直于载物台正上方，高速摄影机镜头水平朝向微量进样器的针尖，并保持一定距离；当载物台垂直缓慢抬升直至被测的亲水多孔材料接触微量进量计的液滴，液滴将迅速铺展至亲水多孔材料的孔壁表面，宏观上表现为液滴被吸附进多孔材料内。利用高速摄影机记录液滴被吸附的全过程，分析图片判断吸附所需总时间T，以T表征亲水多孔材料的润湿性能。该方法突破了润湿性能传统测量方法——即接触角测量法不能应用于多孔材料的困境，同时该方法测量结果明显，测试所需设备少，搭建系统简便可行。

Description

一种亲水多孔材料润湿性能的测试装置及测试方法
技术领域
本发明涉及亲水材料测试工艺，尤其涉及一种亲水多孔材料润湿性能的测试装置及测试方法。
背景技术
润湿性是指一种液体在一种固体表面的铺展能力或倾向性。亲水性能是表征材料表面润湿性的一个指标。对超亲水的主流定义是液体可在物体表面完全扩散，并使其接触角接近0°。因此目前普遍的测量润湿性能方法是接触角测量法，需要测量滴落到被测面上的液滴，在气、液、固三相交点处所作的气-液界面的切线包围液体与固-液交界线之间的夹角θ。当θ＜90°时，称被测面有亲水性，而θ＜5°时，称被侧面具有超亲水性。
由接触角测量法定义可知，该方法可以表征致密材料表面的亲水性，但是不适用于多孔材料。若多孔材料不具备亲水性，则液滴仍可停留于多孔材料表面，可测量相应的接触角；但当多孔材料带亲水性，尤其是超亲水性时，滴到材料表面的液滴将在毛细作用下沿着表面孔隙壁铺展到材料内部，无法停留在材料表面，因此无法测量接触角。对于致密的亲水材料，滴落的液滴将迅速在材料表面铺展，直至其接触角达到在该表面的实际值；而对于亲水多孔材料，液滴实际上是在多孔材料内各个亲水的孔隙壁进行铺展，所以会有被吸附进入多孔材料内部的宏观现象。综上，由于液滴无法停留在亲水多孔材料表面，目前没有有效的表征多孔材料亲水性能的方法。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种结构简单，操作便捷的亲水多孔材料润湿性能的测试装置及测试方法。主要解决在液滴必然渗透进入亲水多孔材料内部而无法测量表面接触角的事实下，实现对多孔材料亲水性能的表征与测量。
本发明通过下述技术方案实现：
一种亲水多孔材料润湿性能的测试装置，包括载物台5、设置在载物台5上方的夹具1；所述载物台5的一侧设置有高速摄影机4；
所述夹具1用于夹持微量进样器2；
所述载物台5用于装夹被测多孔材料3；
所述高速摄影机4的视野范围至少包含微量进样器2的下端部区域以及被测多孔材料3的表面区域；
所述微量进样器2为盛装液体的管状结构，内安装活塞，下端安装有出液的针头22；推动活塞下行时，受到活塞挤压的液体在针头22出口处形成并悬挂一标准体积为2μL～10μL的标准液滴。
所述管状结构的轴线与针头22的轴线重合，并且与被测多孔材料3的上平面相互垂直。
所述夹具1上设有一用于放置微量进样器2的定位沉槽，定位沉槽的形状与微量进样器2的外轮廓相应；微量进样器2嵌合在该定位沉槽内，外部通过一条形夹片6及螺钉66将其限制在夹具1的定位沉槽内。
所述夹具1通过连杆7固定在支撑杆8的端部，支撑杆8安装在底座9上。
所述载物台5为升降平台，内置有丝杆升降机构。
一种亲水多孔材料润湿性能的方法，具体测试步骤如下：
步骤一：推动微量进样器2的活塞杆，使针头22处推出并悬挂一标准液滴；
步骤二：启动载物台5的丝杆升降机构，并缓慢垂直上升，使被测多孔材料3上表面与针头22处的标准液滴保持≤0.2mm距离，使标准液滴与被测多孔材料3的表面不接触；
步骤三：打开并调节高速摄影机4，使标准液滴及其垂直投影区域的被测多孔材料3表面在视场中的位置及清晰度符合要求；
步骤四：高速摄影机4开始录影，同时再平稳提升载物台5上升≤0.2mm，使被测多孔材料3表面接触标准液滴；
步骤五：观察标准液滴已完全渗透进入被测多孔材料3表面后，高速摄影机4停止录影，保存数据；
步骤六：在高速摄影机4的录影中，找出标准液滴与被测多孔材料3表面接触的第一帧图像以及标准液滴刚好完全被吸附进被测多孔材料3内部的第一帧图像，记录两帧图像之间的时间差即吸附时间T。
所述吸附时间T是被测多孔材料3润湿性能的表征。
所述标准液滴的体积为2μL～10μL，每组实验的标准液滴的体积相等。
所述高速摄影机4拍摄时每秒拍摄图像的帧数FPS≥1000。
上述步骤六中找出标准液滴与被测多孔材料3表面接触的第一帧图像以及被测多孔材料3刚好完全被吸附进被测多孔材料3内部的第一帧图像的方法，包括人工识别和软件图像识别的方法。
当载物台垂直缓慢抬升直至被测的亲水多孔材料接触微量进量计的液滴，液滴将迅速铺展至亲水多孔材料的孔壁表面，宏观上表现为液滴被吸附进多孔材料内。利用高速摄影机记录液滴被吸附的全过程，分析图片判断吸附所需总时间，定义为吸附时间T，以T表征亲水多孔材料的润湿性能。本发明突破了润湿性能传统测量方法——即接触角测量法不能应用于多孔材料的困境，同时采用本装置及方法二者之间的配合，使测量结果明显，测试所需设备少，技术手段简便，解决了传统角接触测量法无法应用于亲水多孔材料的问题。
附图说明
图1为本发明亲水多孔材料润湿性能的测试装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
实施例
如图1所示。本发明公开了一种亲水多孔材料润湿性能的测试装置，包括载物台5、设置在载物台5上方的夹具1；所述载物台5的一侧设置有高速摄影机4；
所述夹具1用于夹持微量进样器2；
所述载物台5用于装夹被测多孔材料3；
所述高速摄影机4的视野范围至少包含微量进样器2的下端部区域以及被测多孔材料3的表面区域；
所述微量进样器2为盛装液体的管状结构，内安装活塞，下端安装有出液的针头22；推动活塞下行时，受到活塞挤压的液体在针头22出口处形成并悬挂一标准体积为2μL～10μL的标准液滴。
所述管状结构的轴线与针头22的轴线重合，并且与被测多孔材料3的上平面相互垂直。
所述夹具1上设有一用于放置微量进样器2的定位沉槽，定位沉槽的形状与微量进样器2的外轮廓相应；微量进样器2嵌合在该定位沉槽内，外部通过一条形夹片6及螺钉66将其限制在夹具1的定位沉槽内。
所述夹具1通过连杆7固定在支撑杆8的端部，支撑杆8安装在底座9上。
所述载物台5为升降平台，内置有丝杆升降机构。
一种亲水多孔材料润湿性能的方法，具体测试步骤如下：
步骤一：推动微量进样器2的活塞杆，使针头22处推出并悬挂一标准液滴；
步骤二：启动载物台5的丝杆升降机构，并缓慢垂直上升，使被测多孔材料3上表面与针头22处的标准液滴保持≤0.2mm距离，使标准液滴与被测多孔材料3的表面不接触；
步骤三：打开并调节高速摄影机4，使标准液滴及其垂直投影区域的被测多孔材料3表面在视场中的位置及清晰度符合要求；
步骤四：高速摄影机4开始录影，同时再平稳提升载物台5上升≤0.2mm，使被测多孔材料3表面接触标准液滴；
步骤五：观察标准液滴已完全渗透进入被测多孔材料3表面后，高速摄影机4停止录影，保存数据；
步骤六：在高速摄影机4的录影中，找出标准液滴与被测多孔材料3表面接触的第一帧图像以及标准液滴刚好完全被吸附进被测多孔材料3内部的第一帧图像，记录两帧图像之间的时间差即吸附时间T。所述吸附时间T是被测多孔材料3润湿性能的表征。测试结果如表1。
表1：
所述标准液滴的体积为2μL～10μL，每组实验的标准液滴的体积相等。
所述高速摄影机4拍摄时每秒拍摄图像的帧数FPS≥1000。
上述步骤六中找出标准液滴与被测多孔材料3表面接触的第一帧图像以及被测多孔材料3刚好完全被吸附进被测多孔材料3内部的第一帧图像的方法，包括人工识别和软件图像识别的方法。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，但是凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、改进和等同替换等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种亲水多孔材料润湿性能的测试装置，其特征在于：包括载物台(5)、设置在载物台(5)上方的夹具(1)；所述载物台(5)的一侧设置有高速摄影机(4)；
所述夹具(1)用于夹持微量进样器(2)；
所述载物台(5)用于装夹被测多孔材料(3)；
所述高速摄影机(4)的视野范围至少包含微量进样器(2)的下端部区域以及被测多孔材料(3)的表面区域；
所述微量进样器(2)为盛装液体的管状结构，内安装活塞，下端安装有出液的针头(22)；推动活塞下行时，受到活塞挤压的液体在针头(22)出口处形成并悬挂一标准体积为2μL～10μL的标准液滴。
所述管状结构的轴线与针头(22)的轴线重合，并且与被测多孔材料(3)的上平面相互垂直。
2.根据权利要求1所述亲水多孔材料润湿性能的测试装置，其特征在于：所述夹具(1)上设有一用于放置微量进样器(2)的定位沉槽，定位沉槽的形状与微量进样器(2)的外轮廓相应；微量进样器(2)嵌合在该定位沉槽内，外部通过一条形夹片(6)及螺钉(66)将其限制在夹具(1)的定位沉槽内。
3.根据权利要求2所述亲水多孔材料润湿性能的测试装置，其特征在于：所述夹具(1)通过连杆(7)固定在支撑杆(8)的端部，支撑杆(8)安装在底座(9)上。
4.根据权利要求1所述亲水多孔材料润湿性能的测试装置，其特征在于：所述载物台(5)为升降平台，内置有丝杆升降机构。
5.一种亲水多孔材料润湿性能的方法，其特征在于采用权利要求1至4中任一项所述亲水多孔材料润湿性能的测试装置实现，具体测试步骤如下：
步骤一：推动微量进样器(2)的活塞杆，使针头(22)处推出并悬挂一标准液滴；
步骤二：启动载物台(5)的丝杆升降机构，并缓慢垂直上升，使被测多孔材料(3)上表面与针头(22)处的标准液滴保持≤0.2mm距离，使标准液滴与被测多孔材料(3)的表面不接触；
步骤三：打开并调节高速摄影机(4)，使标准液滴及其垂直投影区域的被测多孔材料(3)表面在视场中的位置及清晰度符合要求；
步骤四：高速摄影机(4)开始录影，同时再平稳提升载物台(5)上升≤0.2mm，使被测多孔材料(3)表面接触标准液滴；
步骤五：观察标准液滴已完全渗透进入被测多孔材料(3)表面后，高速摄影机(4)停止录影，保存数据；
步骤六：在高速摄影机(4)的录影中，找出标准液滴与被测多孔材料(3)表面接触的第一帧图像以及标准液滴刚好完全被吸附进被测多孔材料(3)内部的第一帧图像，记录两帧图像之间的时间差即吸附时间T。
6.根据权利要求5所述亲水多孔材料润湿性能的方法，其特征在于，所述吸附时间T是被测多孔材料(3)润湿性能的表征。
7.根据权利要求5所述亲水多孔材料润湿性能的方法，其特征在于，所述标准液滴的体积为2μL～10μL，每组实验的标准液滴的体积相等。
8.根据权利要求5所述亲水多孔材料润湿性能的方法，其特征在于，所述高速摄影机(4)拍摄时每秒拍摄图像的帧数1000≥FPS。
9.根据权利要求5所述亲水多孔材料润湿性能的方法，其特征在于，步骤六中找出标准液滴与被测多孔材料(3)表面接触的第一帧图像以及被测多孔材料(3)刚好完全被吸附进被测多孔材料(3)内部的第一帧图像的方法，包括人工识别和软件图像识别的方法。
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