CN107966403A - 一种测试非浸润固-液界面微粘附力的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测试非浸润固‑液界面微黏附力的装置，主要包括高精度微量力测试仪、力传感器、液体挂件、样品升降平台、数值记录仪、测试环境控制模块和防震平台，样品升降平台位于防震平台上，力传感器位于高精度微量力测试仪下方并与高精度微量力测试仪连接，在力传感器下方设置有液体挂件，高精度微量力测试仪和样品升降平台均通过数据连接线与数值记录仪连接，样品升降平台以及液体挂件均设置在测试环境控制模块控制的环境范围内。本发明还公开了测试方法。本发明可比较同一疏液表面与不同液体间的黏附力大小，或比较不同疏液表面与同一液体间黏附力大小，对研究固‑液界面特性和功能材料的制备具有较明显的作用与贡献。

Description

一种测试非浸润固-液界面微粘附力的装置和方法

技术领域

本发明属于界面性能测试领域，具体涉及一种非浸润固-液界面微粘附力测试装置和方法，在疏液功能材料性能表征和固液表界面研究中具有较好的实际应用前景。

背景技术

近年来，自然界植物叶表面的特殊疏水界面性能引起了人们广泛的关注，疏液性能是指材料表面与水滴的接触角大于90°的表面，这种表面与接触液体具有不浸润的特性。受到自然界启发制备的疏液材料可应用于油水分离、减阻材料、自清洁材料和抗结冰材料等，这些材料均在国防建设、工农业生产和日常生活中都有着极其广阔的应用前景。

在研究疏液表面的过程中通常使用静态接触角和滚动角来表征固体表面与接触液体间的排斥效果，但固体表面的微纳米结构设计和分子构成对表面与液体间的相互作用有较大影响，而对于这种疏液表面与接触液体间的黏附作用力的具体表征一直是固-液界面研究工作者的困惑与难题。固-液界面微黏附力研究与表征主要限定于非浸润性的固-液界面黏附力分析，当固液界面发生浸润作用时，液体完全铺展于固体表面，无法测试其界面作用力。因此，只有当固液界面发生不浸润作用时，但会因为固体表面的不同微纳米结构和分子结构，以及接触液体特性的差别，或外部环境的差异而产生固液界面黏附力的差异，这种差异对功能材料的表面性能起着关键评价意义，是功能材料在实际工况条件下能否满足具体实施要求的技术指标。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，解决目前在功能材料的表界面性能评估中无法获得确切疏液固体表面和接触液体的界面微黏附力具体数值和比较黏附性能优劣的问题，提供一种测试类非浸润固-液界面微黏附力的装置及测试方法，同时可通过测试条件设置和环境模块来实现在不同条件下固-液之间的界面微黏附力的测试，通过曲线分析得到界面微黏附作用力的具体数值和固液界面分离的具体过程。

本发明是这样实现的：

一种测试非浸润固-液界面微黏附力的装置，主要包括高精度微量力测试仪、力传感器、液体挂件、样品升降平台、数值记录仪、测试环境控制模块和防震平台，样品升降平台位于防震平台上，力传感器位于高精度微量力测试仪下方并与高精度微量力测试仪连接，在力传感器下方设置有液体挂件，高精度微量力测试仪和样品升降平台均通过数据连接线与数值记录仪连接，样品升降平台以及液体挂件均设置在测试环境控制模块控制的环境范围内。

还包括一个液体精密注射器，在测试时，通过液体精密注射器将测试液体以精准的体积悬挂于液体挂件上。

本发明还包括外部电源开关：用于控制整个测试非浸润固-液界面微黏附力的装置的供电系统。

下面对本发明的测试非浸润固-液界面微黏附力的装置涉及的主要部件进行具体说明。

高精度微量力测试仪：用于感知液体挂件上的液体与固体在分离过程中受到的拉力大小，对微小作用力的感知力较强。

力传感器：用于连接高精度力测试仪和液体挂件，将液体上的受力传递给微量力测试仪。

液体挂件：用于悬挂测试液体的小部件，可根据使用需求，将挂件头部制备成不同直径的微小圆圈，用于悬挂不同体积的液滴。挂件材质需选择硬度不低于HRC 35的材料，不易变形，包括聚合物、金属或合金等材料。

液体精密注射器：根据液体的粘度值可选择不同直径的注射针头，对注射液体的体积控制精度范围为不大于1uL。

样品升降平台：用于放置测试固体的平台，可控自由连续升降，平台表面光滑平整，表面粗糙度不大于0.1mm。

数值记录仪：用于微量力测试仪变化的数值记录、样品升降平台的位置记录和测试时间记录。

测试环境控制模块：用于控制测试非浸润固-液界面微黏附力的装置测试时的环境温度和环境压力的外置模块，可根据实际使用需求采用不同温度范围和压力范围的控制模块。

防震平台：用于放置整个测试非浸润固-液界面微黏附力的装置的台面，减少外部震动干扰精密力数值的读取。

本发明还提供了一种测试非浸润固-液界面微粘附力的方法，使用了本发明公开的测试非浸润固-液界面微粘附力的装置，并包括如下步骤：

(1)准备好测试液体和固体表面；

(2)根据需求选择合适直径大小的液体挂件，使用精密注射器将测试液体按需求体积注射至液体挂件小圆圈上进行悬挂，悬挂了测试液滴的挂件置于力传感器上；

(3)将测试固体放置于样品升降台上，通过升降控制固体表面与测试液体刚好接触，并继续缩小固体表面与测试液体之间的距离，按测试需求调整固-液间距，此时将微量力测试仪受到的力进行归零；

(4)将环境温度和压力进行条件设置；

(5)测试开始，控制样品升降台按一定速率下降，使接触的固-液进行缓慢分离，在分离过程中微量力测试仪会记录固液界面产生的粘附力，直至固相表面与液体完全分开，测试停止；

(6)记录的测试时间或下降距离与力测试仪受力绘制的相关曲线可反映固-液界面黏附力的大小。

通过以上装置且根据以上步骤测试得到曲线，在测试固体表面下降的过程中，由于固液间黏附力的存在，固液间会产生逐渐增大的拉力作用，而只要有部分固液微小界面有脱离的现象，则测试的力曲线会出现阶跃的下降，因此在测试过程中力曲线呈现波动现象，而直至固液界面完全分离的时刻，力曲线会呈现大幅阶跃下降的现象，此时力下降的差值即为固-液界面黏附力值。通过曲线的分析可比较同一疏液表面与不同液体间的黏附力大小，或比较不同疏液表面与同一液体间黏附力大小，以及对测试参数的调整来分析研究不同固-液接触状态下界面的微黏附力以及固液分离的过程，对研究固-液界面特性和功能材料的制备具有较明显的作用与贡献。

附图说明

图1为本发明测试非浸润固-液界面微粘附力的装置结构示意图；

图2为本发明实施例1的不同疏水表面与水滴间黏附力的测试曲线；

图3为本发明实施例2的同一疏液表面与不同液体间的黏附测试曲线；

图4为本发明实施例3的固液挤压距离不同时固-液界面黏附力的测试曲线。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

如附图1所示，一种测试非浸润固-液界面微黏附力的装置，主要包括高精度微量力测试仪4、力传感器5、液体挂件6、样品升降平台2、数值记录仪7、测试环境控制模块3和防震平台1，样品升降平台2位于防震平台1上，力传感器5位于高精度微量力测试仪4下方并与高精度微量力测试仪4连接，在力传感器5下方设置有液体挂件6，高精度微量力测试仪4和样品升降平台2均通过数据连接线8与数值记录仪7连接，样品升降平台2以及液体挂件6均设置在测试环境控制模块3控制的环境范围内。

还包括一个液体精密注射器，在测试时，通过液体精密注射器将测试液体以精准的体积悬挂于液体挂件上。

本发明还包括外部电源开关：用于控制整个测试非浸润固-液界面微黏附力的装置的供电系统。

下面以更具体的实施例对本发明的方法做详细说明。

实施例1：

制备两种具有不同表面结构的疏水表面，其表面微纳米结构和疏水状态不同。分别将两个不同疏水表面置于本发明装置的样品升降平台上；使用精密液体注射器注射10uL水滴悬挂于液体悬挂件上；将悬挂件固定于力传感器上；控制升降平台使固体表面接触水滴并继续缩短固液间的距离1mm，此时力检测和平台位置均归零；环境温度为室温和大气压力条件；通过升降平台控制固体表面以0.5mm/min的速度下降以与水滴进行分离，此时测试开始，记录测试受力和测试时间；测试直到固液完全分离，测试结束；将记录的受力和时间绘制成曲线，如图2所示。

根据图2所示，疏水表面1与水滴间的黏附力为59.8uN，而疏水表面2与水滴间的黏附力为13.7uN，印证了不同状态的疏水表面与同一液体间的黏附力是不同的，且可得知表面1与水滴的黏附效果更佳。

实施例2：

制备一种疏液表面，将其放置于本发明装置的样品升降平台上；选用三种测试液体，一种水，一种高分子预聚体，一种含固相颗粒的复杂流体，分别使用精密液体注射器注射10uL测试液体滴悬挂于液体悬挂件上；将悬挂件固定于力传感器上；控制升降平台使固体表面接触液滴并继续缩短固液间的距离0.8mm，此时力检测和平台位置均归零；环境温度为室温和大气压力条件；通过升降平台控制固体表面以0.3mm/min的速度下降以与液滴进行分离，此时测试开始，记录测试受力和测试时间；测试直到固液完全分离，测试结束；将记录的受力和时间绘制成曲线，如图3所示。

根据图3所示，在同样的疏液表面，由于接触液体的差别，其固液界面间的疏液状态和黏附作用有较大差别，水滴于固体表面的黏附力为9.8uN，而高分子预聚体与固体表面的黏附力为72.5uN，复杂流体与固体表面的黏附力为72.6uN。高分子预聚体和复杂流体均有较高的粘度和更低的表面张力，因此即使固体表面与水滴间具有很微小的黏附作用力，但与其它液体的黏附作用也可很大。这说明固-液界面的相互作用取决于两相的性质，而不仅仅依靠固体表面的特性。

实施例3：

制备一种疏液表面，将其放置于本发明装置的样品升降平台上；选用一种测试液体丙三醇，使用精密液体注射器注射10uL测试液体滴悬挂于液体悬挂件上；将悬挂件固定于力传感器上；控制升降平台使固体表面接触液滴并继续缩短固液间的距离分别为0.8mm和1mm，此时力检测和平台位置均归零；环境温度为室温和大气压力条件；通过升降平台控制固体表面以0.5mm/min的速度下降以与液滴进行分离，此时测试开始，记录测试受力和测试时间；测试直到固液完全分离，测试结束；将记录的受力和时间绘制成曲线，如图4所示。

根据图4所示，在同样的疏液表面与同样的液体接触，由于固液间挤压的距离不同使接触固液间挤压的作用力不同，其固液界面间的黏附作用也有较大差别，在挤压距离为0.8mm时丙三醇与固体表面的黏附力为56.9uN，而挤压距离为1mm时丙三醇与固体表面的黏附力为80.4uN。这说明固液间接触过程的受外力作用对其固-液界面间的黏附作用力有较大影响，挤压距离越短，固液受挤压力越大，使得固液界面黏附力越大。

尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。

Claims (7)

1.一种测试非浸润固-液界面微黏附力的装置，其特征在于：主要包括高精度微量力测试仪、力传感器、液体挂件、样品升降平台、数值记录仪、测试环境控制模块和防震平台，样品升降平台位于防震平台上，力传感器位于高精度微量力测试仪下方并与高精度微量力测试仪连接，在力传感器下方设置有液体挂件，高精度微量力测试仪和样品升降平台均通过数据连接线与数值记录仪连接，样品升降平台以及液体挂件均设置在测试环境控制模块控制的环境范围内。

2.根据权利要求1所述测试非浸润固-液界面微黏附力的装置，其特征在于：还包括一个液体精密注射器，在测试时，通过液体精密注射器将测试液体以精准的体积悬挂于液体挂件上。

3.根据权利要求1或2所述测试非浸润固-液界面微黏附力的装置，其特征在于：还包括外部电源开关，用于控制整个测试非浸润固-液界面微黏附力的装置的供电系统。

4.根据权利要求1所述测试非浸润固-液界面微黏附力的装置，其特征在于：所述液体挂件头部为微小圆圈，挂件材质选择硬度不低于HRC 35的材料。

5.根据权利要求1所述测试非浸润固-液界面微黏附力的装置，其特征在于：所述液体精密注射器对注射液体的体积控制精度范围为不大于1uL。

6.根据权利要求1所述测试非浸润固-液界面微黏附力的装置，其特征在于：所述样品升降平台可控自由连续升降，平台表面光滑平整，表面粗糙度不大于0.1mm。

7.一种测试非浸润固-液界面微粘附力的方法，其特征在于使用了权利要求1至6任一权利要求所述的测试非浸润固-液界面微粘附力的装置，并包括如下步骤：

(1)准备好测试液体和固体表面；

(2)根据需求选择合适直径大小的液体挂件，使用精密注射器将测试液体按需求体积注射至液体挂件小圆圈上进行悬挂，悬挂了测试液滴的挂件置于力传感器上；

(3)将测试固体放置于样品升降台上，通过升降控制固体表面与测试液体刚好接触，并继续缩小固体表面与测试液体之间的距离，按测试需求调整固-液间距，此时将微量力测试仪受到的力进行归零；

(4)将环境温度和压力进行条件设置；

(5)测试开始，控制样品升降台按一定速率下降，使接触的固-液进行缓慢分离，在分离过程中微量力测试仪会记录固液界面产生的粘附力，直至固相表面与液体完全分开，测试停止；

(6)记录的测试时间或下降距离与力测试仪受力绘制的相关曲线可反映固-液界面黏附力的大小。