CN108061694B - 一种水滴在固体表面接触角的计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于固体表面润湿性领域，具体为一种水滴在固体表面接触角的计算方法。本发明的目的是提供一种水滴在固体表面接触角的计算方法，可以迅速可靠的计算水滴在固体表面接触角。一种水滴在固体表面接触角的计算方法，包括以下步骤：(1)获取SEM图像；(2)将M×M像素灰度图像，分割成r×r个网格；(3)像素灰度级数值为0‑255，将其平均分割为1‑r共r个空间；(4)获取步骤(2)中，第(i,j)个网格中最大灰度值和最小灰度值；(5)计算所有网格空间差之和；(6)计算出对应的NM/r；(7)应用最小二乘法直线线性拟合log10(M/r)和log10(NM/r)；(8)计算表面接触角。本发明设计了一种全新的适用范围广的水滴在固体表面接触角的计算方法。
Description
技术领域
本发明属于固体表面润湿性领域，具体为一种水滴在固体表面接触角的计算方法。
背景技术
润湿性(wettability)是指一种液体在一种固体表面铺展的能力或倾向性，对片剂、颗粒剂等固体制剂的崩解性、溶解性等具有很重要的意义。润湿(Wetting)是固体界面由固-气界面转变为固-液界面的现象。固体的润湿性用接触角表示，当液滴滴在固体表面时，润湿性不同可出现不同形状。液滴在固液接触边缘的切线与固体平面间的夹角称为接触角。接触角最小为0°，最大为180°。接触角越小，则固体的润湿性越好。
接触角(contact angle)是指在气、液、固三相交点处所作的气-液界面的切线穿过液体与固-液交界线之间的夹角θ，是润湿程度的量度。接触角现有测试方法通常有两种：其一为外形图像分析方法；其二为称重法。后者通常称为润湿天平或渗透法接触角仪。但目前应用最广泛，测值最直接与准确的还是外形图像分析方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种水滴在固体表面接触角的计算方法，可以迅速可靠的计算水滴在固体表面接触角。
一种水滴在固体表面接触角的计算方法，包括以下步骤：
(1)采用热场发射电子显微镜，获取SEM图像并以M×M像素灰度图像的形式进行存储；
(2)将M×M像素灰度图像，按照长度M/r像素分割成r×r个网格，M/r为整数；
(3)像素灰度级数值为0-255，将其平均分割为1-r共r个空间；
(4)获取步骤(2)中，第(i,j)个网格中最大灰度值和最小灰度值；
最大灰度值处于步骤(3)中第k个空间，
最小灰度值处于步骤(3)中第l个空间，
计算第(i,j)个网格中空间差为a(i,j)＝k-l+1；
(5)计算所有网格空间差之和：
(6)分别取不同长度的M/r，计算出对应的NM/r；
(7)应用最小二乘法直线线性拟合log10(M/r)和log10(NM/r)，获得斜率X；
(8)计算表面接触角Y＝0.1836×X6.537+5.675。
作为优化，分别取M/r的长度为2,4,8,16,32,64,128和256，计算出对应的NM/r。SEM图像通过放大倍数为5000倍的热场发射扫描电子显微镜获得。
本发明设计了一种全新的适用范围广的水滴在固体表面接触角的计算方法。该方法通过电子显微镜获得SEM图像，并通过专门的算法计算获得水滴在固体表面接触角，相对于润湿天平或渗透法接触角仪，本算法的可靠性，计算效率更高。
具体实施方式
下面给出的实施例拟对本发明作进一步说明，但不能理解为是对本发明保护范围的限制，本领域技术人员根据本发明内容对本发明的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
实施例1：取1060铝合金，将铝合金切割成1.5cm×1cm的矩形片，依次放入丙酮、无水乙醇和蒸馏水中超声清洗10min以洗去表面污物，然后将其浸入4mol/L的盐酸溶液进行化学刻蚀，刻蚀时间依次为0、2、4、6、8和10min，化学刻蚀后，再放入蒸馏水中超声清洗5min；配制0.1mol/L的硬脂酸乙醇溶液作为电解液，以化学刻蚀后的铝合金片为阳极，相同尺寸的紫铜片为阴极，电极间距2cm，电解刻蚀电压25V，对铝合金片进行电解刻蚀，电解刻蚀1h后，取出铝合金片，用无水乙醇反复冲洗后放入真空干燥箱，在60℃的条件下烘干10min；
一种水滴在固体表面接触角的计算方法，包括以下步骤：
(1)采用日本JSM-7100F热场发射电子显微镜，获取放大倍数为5000时，以上铝合金片表面SEM图像，并以M×M像素灰度图像的形式进行存储；
(2)在Matlab中，读取步骤(1)M×M像素灰度图像，按照长度M/r像素分割成r×r个网格，M/r为整数；
(3)像素灰度级数值为0-255，将其平均分割为1-r共r个空间；
(4)在Matlab中，获取步骤(2)中，第(i,j)个网格中最大灰度值和最小灰度值，1≤i≤r，1≤j≤r；并计算出，最大灰度值处于步骤(3)中第k个空间，最小灰度值处于步骤(3)中第l个空间；
计算第(i,j)个网格中空间差为a(i,j)＝k-l+1；1≤i≤r，1≤j≤r；
(5)计算所有网格空间差之和：
1≤i≤r，1≤j≤r；
(6)分别取不同长度的M/r为2,4,8,16,32,64,128和256，计算出对应的NM/r；
(7)应用最小二乘法直线线性拟合log10(M/r)和log10(NM/r)，M/r为2,4,8,16,32,64,128和256，获得斜率X；
(8)计算表面接触角Y＝0.1836×X6.537+5.675。
实施例2：取1060铝合金，将铝合金切割成1.5cm×1cm的矩形片，依次放入丙酮、无水乙醇和蒸馏水中超声清洗10min以洗去表面污物，然后将其浸入4mol/L的盐酸溶液进行化学刻蚀，刻蚀时间依次为0、2、4、6、8和10min，化学刻蚀后，再放入蒸馏水中超声清洗5min；配制0.1mol/L的硬脂酸乙醇溶液作为电解液，以化学刻蚀后的铝合金片为阳极，相同尺寸的紫铜片为阴极，电极间距2cm，电解刻蚀电压25V，对铝合金片进行电解刻蚀，电解刻蚀1h后，取出铝合金片，用无水乙醇反复冲洗后放入真空干燥箱，在60℃的条件下烘干10min；
一种水滴在固体表面接触角的计算方法，包括以下步骤：
(1)采用日本JSM-7100F热场发射电子显微镜，获取放大倍数为1000时，以上铝合金片表面SEM图像，并以2048*2048像素灰度图像的形式进行存储；
(2)在Matlab中，读取步骤(1)2048*2048像素灰度图像，按照长度16像素分割成128*128个网格；
(3)像素灰度级数值为0-255，将其平均分割为1到128共128个空间；
(4)在Matlab中，获取步骤(2)中，第(i,j)个网格中最大灰度值和最小灰度值，1≤i≤128，1≤j≤128；并计算出，最大灰度值处于步骤(3)中第k个空间，最小灰度值处于步骤(3)中第l个空间；
计算第(i,j)个网格中空间差为a(i,j)＝k-l+1；1≤i≤128，1≤j≤128；
(5)计算所有网格空间差之和：
1≤i≤128，1≤j≤128；
(6)将以上的长度16像素，替换为32,64,128和256，分别计算对应的NM/r；
(7)应用最小二乘法按照f(x)＝Xx+c线性拟合log10(M/r)和log10(NM/r)，log10(NM/r)为变量f(x)；log10(M/r)为自变量x；
M/r为16,32,64,128和256，获得斜率X；
(8)计算表面接触角Y＝0.1836×X6.537+5.675。
实施例3：润湿性接触角测试系统，包括图像采集模块，图像处理模块，数据输出模块；
图像采集模块，包括热场发射扫描电子显微镜；热场发射扫描电子显微镜用于扫描待扫描物体，获取放大倍数为5000时的SEM图像；
图像处理模块，包括处理主机；处理主机用于执行图像处理算法；图像处理算法，包括以下步骤：
(1)将SEM图像处理成2048×2048像素灰度图像，将灰度图像按照长度r像素分割成2048/r×2048/r个网格；
(2)像素灰度级数值为0-255，将其平均分割为1到2048/r共2048/r个空间；
(3)计算步骤(1)中第(i,j)个网格中，1≤i≤2048/r，1≤j≤2048/r；
最大灰度值位于步骤(2)中第k个空间，最小灰度值位于步骤(2)中第l个空间；
计算第(i,j)个网格的空间差为a(i,j)＝k-l+1；1≤i≤2048/r，1≤j≤2048/r；
(4)计算所有网格空间差之和：
1≤i≤2048/r，1≤j≤2048/r；
(5)分别取r＝16、32、64、128、256；计算出对应的Nr；
(6)应用最小二乘法按照f(x)＝bx+c线性拟合ln(r)和ln(Nr)，ln(Nr)为变量f(x)；ln(r)为自变量x；获得斜率b；
(7)计算表面接触角Y＝0.1836×b6.537+5.675；
数据计算输出模块，包括显示屏，显示屏用于输出接触角结果。
Claims (1)
1.一种水滴在固体表面接触角的计算方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)获取水滴在固体表面的SEM图像并以M×M像素灰度图像的形式进行存储；
(2)将所述M×M像素灰度图像，按照长度M/r像素分割成r×r个网格，M/r为整数；
(3)像素灰度级数值为0-255，将其平均分割为1-r共r个空间；
(4)获取步骤(2)中，第(i,j)个网格中最大灰度值和最小灰度值；
所述最大灰度值处于步骤(3)中第k个空间，
所述最小灰度值处于步骤(3)中第l个空间，
计算第(i,j)个网格中空间差为a(i,j)＝k-l+1；
(5)计算所有网格空间差之和：
(6)分别取不同长度的M/r，计算出对应的NM/r；
(7)应用最小二乘法采用直线线性拟合log10(M/r)和log10(NM/r)，获得斜率X；
(8)计算表面接触角Y＝0.1836×X6.537+5.675；
分别取M/r的长度为2,4,8,16,32,64,128和256，计算出对应的NM/r；
所述SEM图像通过放大倍数为5000倍的热场发射扫描电子显微镜获得。
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