CN108872023A - 一种测量前进接触角和后退接触角的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种测量前进接触角和后退接触角的装置，包括，底座、升降台架、电机、联轴器、旋转下轴、扭杆、旋转上轴、旋转平板、移动台架、相机、冷光源灯。本发明取得的有益效果有，1、由电机、旋转下轴、扭杆、旋转上轴、两个相同的转动角度测量传感器构成的正负助力系统能够提供正负助力，提高测量的精度和保证测量的重复性。2、测量操作简单、精度高并且解决了倾斜板中液滴在重力的作用下难以发生移动的问题。3、由转动角度测量传感器、移动台架、相机、冷光源灯等组成的相机和冷光源自动跟随系统能够跟随旋转的液滴转动拍摄液滴的形状变化，找到临界点角度，记录临界点转速。

Description

一种测量前进接触角和后退接触角的装置

技术领域

本发明涉及一种能够测量接触角的装置，特别是涉及一种测量前进接触角和后退接触角的装置。

背景技术

接触角是指在气、液、固三相交点处所作的气-液界面的切线，此切线在液体一方的与固-液交界线之间的夹角θ，是润湿程度的量度。

杨氏方程中的接触角是假定固体表面平坦光滑、化学均匀、各相同性，固—液—气三相达到热力学平衡状态下的接触角，也称之为静态接触角，即固—液—气三相接触线静止未发生移动的接触角。

但实际的固体表面在一定程度上可能存在粗糙不平、化学组成不均一，受污染等多种情况，这就使得实际接触角并非如杨氏方程所预示的取值唯一。而是在相对稳定的两个角度之间变化，这种现象被称为接触角滞后现象。上限为前进接触角θA，下限为后退接触角θR。通常定义，液—固界面取代气—固界面后形成的接触角叫前进接触角；而气—固界面取代液—固界面形成的接触角叫后退接触角。

以通过测量一液体在固体表面形成的液滴的接触角的大小，不但可衡量该液体对固体表面润湿性的好坏的程度，同时也能间接了解和获得液/固和固/气界面相互作用的信息和参数，因为它们无法直接测定(能直接测量的只有液/气或液/液间的相互作用参数)。

现有的用于测量动态接触角的主要是座滴法，座滴法主要有两种，加减液滴法和倾斜板法。

加减液滴法，就是在形成液滴后，再继续以很低的速度往液滴加入液体，使其体积不断增大。开始时，液滴与固体表面的接触面积并不发生变化，但接触角渐渐增大。当液滴的体积增大到某一临街值时，液滴在固体表面的三相接触线发生往外移动，而在发生移动前瞬间的接触角，被称为前进角。在此之后，接触角基本保持不变。反之如果从一形成的液滴不断地以很低的速度把液体移走，使其体积减小。开始时，液滴与固体表面的接触面积也并不发生变化，但接触角渐渐减小。当液滴的体积减小到一定值时，液滴在固体表面的固/液/气三相接触线开始往里移动。在发生这一移动前夕的接触角，就是后退角。在此之后，接触角也应基本保持不变。但是，由于这一过程中一般都有针头/毛细管的卷入以加入/移走液体，针头/毛细管的直径一定要(与液滴相比)足够小，并且由于过程中针头/毛细管的卷入，使得液滴一般不再呈现中心轴对称，也不再能被看作是圆或椭圆的一部分，所以基于Young-Laplace或圆或椭圆方程式的计算方法都将遇到困难，带来较大误差。

倾斜板法，将一足够大体积的液滴置于待测的样品表面后，把样品表面朝一方缓慢、不断地倾斜。当开始时液滴不发生移动，而只是其中的液体由后方向前方转移，使得前方的接触角不断增大，而后方的不断缩小。当倾斜到一定角度时，液滴开始发生滑动。发生滑动前夕液滴的前角就是前进角，后角则为后退角。倾斜板法有两种实现方式：整体倾斜法：将整套测量仪置于摇篮状的倾斜架上，让包括摄像机，光学镜头，样品台，样品和光源等组件的整套仪器同时倾斜。这种构造和操作的主要优点在于：液滴相对于摄像机和光学镜头在整个过程中保持相对不倾斜，这样软件开发上就不必特殊处理，计算比较容易。而其缺点也很为明显：仪器越大、样品越大/越重，所需要的倾斜架也越大，显得很笨重；由于仪器上的所有东西都跟着一起倾斜，使得有些液体会倒出来，同时使得在倾斜作态无法加液产生液滴，也即液滴必须在倾斜前已经被置于样品表面。局部倾斜法：只倾斜样品台和其上面的样品包括可能已放置上去的液滴，其它的所有部件均不倾向，保持不动。这样做法的优点显而易见，可以避免上面提到的所有缺点，使得仪器精巧，硬件制造成本降低，也能容许在任何倾斜角度下加液形成新液滴，或往已经形成的液滴加入液体。

由于前进接触角和后退接触角测量的是液滴有发生移动的趋势但是还没有移动的瞬间的角度，所以不论是加减液滴法还是倾斜板法都需要在缓慢的人工条件下进行。加减液滴法测量的动态接触角的误差比较大，倾斜板法难以保证精度和可重复性并且也不能保证液滴在倾斜的平板上一定发生移动。CN205209919U测量液体在固体表面的前进接触角、后退接触角以及滞留力的方法及其装置，是一种使用旋转法测量液体在固体表面的前进接触角、后退接触角以及滞留力的装置。该专利测量的是液滴在运动过程中的接触角并不能测量液滴有发生移动的趋势但是还没有移动瞬间的前进和后退接触角。

发明内容

本发明设计了一种用于测量前进接触角和后退接触角的装置，以至少解决上述问题中的一个问题，采用的技术方案如下。

一种测量前进接触角和后退接触角的装置，包括：

底座，所述底座为空心圆柱形；

升降台架，所述升降台架安装于所述底座的底板，并且所述升降台架具有调节手柄、传动机构和升降部，所述调节手柄通过所述传动机构带动所述升降部沿竖直方向移动；

正负助力系统，所述正负助力系统具有电机、转轴组件和两个转动角度测量传感器；所述电机通过电机安装底座安装于所述升降部；所述转轴组件包括竖向设置的旋转下轴、旋转上轴和扭杆；所述旋转下轴的下端通过联轴器连接于所述电机的输出轴，以在所述电机的带动下转动；所述旋转下轴的上部具有开口朝上的第一花键轴孔；所述旋转上轴的下部具有开口朝下的第二花键轴孔；所述扭杆上下两端均具有花键，分别安装于所述第二花键轴孔和所述第一花键轴孔；且两个所述转动角度测量传感器分别安装于所述旋转下轴和所述旋转上轴，配置成实时测量所述旋转下轴和所述旋转上轴的旋转角度，以基于所述旋转下轴和所述旋转上轴的旋转角度控制所述电机的转速；

旋转平板，安装于所述旋转上轴，用于放置液滴，且在受力时转动以带动所述旋转上轴转动；

拍摄装置，与所述旋转平板同步转动地安装于所述底座，以跟随旋转的所述液滴转动拍摄所述液滴。

进一步地，所述底座的上端面设置有与所述转盘同轴的呈环状的滑动槽；且所述拍摄装置包括：

移动台架，安装于所述滑动槽；

相机，安装于所述移动台架；

冷光源灯，安装于所述相机移动架。

进一步地，还包括：

驱动电机，安装于所述移动台架；

第一齿轮，安装于所述驱动电机的输出轴；

第二齿轮，是内齿轮且安装于所述底座(1)的滑动槽内，且与所述第一齿轮啮合，以使所述驱动电机转动时，使所述移动台架沿所述滑动槽转动。

所述拍摄装置的所述移动台架安装有驱动电机。

基于所述旋转上轴的旋转角度控制所述拍摄装置的转速，以使所述拍摄装置与所述旋转平板同步运动。

优选地，所述旋转平板上标定有起始位置，以在每次测量时所述液滴都要落在所述起始位置。

优选地，每次测量前，所述相机都要用高精度的小球进行对焦。

优选地，测量用的所述液滴体积为3-10微升。

本发明取的的有益效果有：由于表征材料本身属性的前进接触角和后退接触角测量的是液滴有相对移动趋势但是还没有移动的时刻的液滴的角度，所以对于使用旋转方法测量的转速要求在非常缓慢的情况下通过相机和相应的应用程序观察液滴的运动情况。1、由电机、旋转下轴、扭杆、旋转上轴、两个相同的转动角度测量传感器构成的正负助力系统能够监测手动缓慢转动旋转平台的力的大小并且能够根据力的大小提供正负助力从而实现旋转过程中的转速是保持一致的，这样能够提高测量的精度和保证测量的重复性。2、由旋转方法测量前进和后退接触角相比于加减液滴法和倾斜板法，测量操作简单、精度高并且解决了倾斜板中液滴在重力的作用下难以发生移动的问题。3、由转动角度测量传感器、移动台架、相机、冷光源灯、以及相应的驱动电机、驱动模块、电脑组成的相机和冷光源自动跟随系统能够跟随旋转的液滴转动拍摄液滴的形状变化，找到临界点角度，记录临界点转速。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是根据本发明一个实施例的一种测量前进接触角和后退接触角的装置的半剖图；

图2是根据本发明一个实施例的一种测量前进接触角和后退接触角的装置的示意性结构图。

具体实施方式

图1是根据本发明一个实施例的一种测量前进接触角和后退接触角的装置的半剖图，图2是根据本发明一个实施例的一种测量前进接触角和后退接触角的装置的示意性结构图；如图1和图2所示，本发明实施例提供了一种测量前进接触角和后退接触角的装置，包括：

底座1，底座1为空心圆柱形。

升降台架2，升降台架2安装于底座1的底板，并且升降台架2具有调节手柄、传动机构和升降部，调节手柄通过传动机构带动升降部沿竖直方向移动。

正负助力系统，正负助力系统具有电机3、转轴组件和两个转动角度测量传感器8；电机3通过电机安装底座安装于升降部；转轴组件包括竖向设置的旋转下轴5、旋转上轴和扭杆；旋转下轴5的下端通过联轴器4连接于电机3的输出轴，以在电机3的带动下转动；旋转下轴5的上部具有开口朝上的第一花键轴孔；旋转上轴6的下部具有开口朝下的第二花键轴孔；扭杆7上下两端均具有花键，分别安装于第二花键轴孔和第一花键轴孔；且两个转动角度测量传感器8分别安装于旋转下轴5和旋转上轴6，配置成实时测量旋转下轴5和旋转上轴6的旋转角度，以基于旋转下轴5和旋转上轴6的旋转角度控制电机3的转速。

旋转平板9，安装于旋转上轴6，用于放置液滴，且在受力时转动以带动旋转上轴6转动。

拍摄装置，与旋转平板同步转动地安装于底座1，以跟随旋转的液滴转动拍摄液滴。

测量前进接触角和后退接触角采用手动转动旋转平板9的方法，测量条件准备就绪，开始手动转动旋转平板9时，正负助力系统会根据最初几秒的手动转速且结合相机拍摄的液滴的形态得到一个最佳的转速。采用SurfaceMeter^TM软件实时测量液滴的接触角值，当SurfaceMeter^TM软件对液滴采用不同的计算方法(包括接触角测量，表面自由能计算等)计算的接触角比较以后，找到液滴有发生运动的趋势但还没有运动的时刻，并发送信号给电脑，电脑记录下这个时刻的转速，即为最佳的在转速。当手动转动旋转平板9的转速超过最佳转速时，电机反转，在电机的阻力和手动转动的力的共同作用下达到最佳转速；当手动转动旋转平板9的转速小于最佳转速时，电机正转，在电机助力和手动转动的力的共同作用下达到最佳转速。

在本发明的一些实施例中，拍摄装置还包括移动台架10、相机11，冷光源灯12，相机11和冷光源灯12均安装于移动台架10，移动台架10安装于底座1的滑动槽中，能沿着滑动槽做圆周方向的运动。

进一步地，测量前进接触角和后退接触角的装置还包括：驱动电机，安装于移动台架10；第一齿轮，安装于驱动电机的输出轴；第二齿轮，是内齿轮且安装于底座1的滑动槽内，且与第一齿轮啮合，以使驱动电机转动时，使移动台架沿滑动槽转动。

在本发明的一些实施例中，可基于旋转上轴6的旋转角度控制拍摄装置的转速，以使拍摄装置与旋转平板9同步运动。具体地，可基于旋转上轴6的旋转角度、通过控制驱动电机的转速来使拍摄装置与旋转平板9同步运动。在一些替代性实施例中，拍摄装置和旋转平板9之间设置有同步传动机构，以实现两者同步。

优选地，旋转平板9上标定有起始位置，以在每次测量时液滴都要落在起始位置。每次测量前，相机都要用高精度的小球进行对焦。测量用的液滴体积为3-10微升。与电脑的连接均使用RS232通讯。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种测量前进接触角和后退接触角的装置，包括：

底座(1)，所述底座(1)为空心圆柱形；

升降台架(2)，所述升降台架(2)安装于所述底座(1)的底板，并且所述升降台架(2)具有调节手柄、传动机构和升降部，所述调节手柄通过所述传动机构带动所述升降部沿竖直方向移动；

正负助力系统，所述正负助力系统具有电机(3)、转轴组件和两个转动角度测量传感器(8)；所述电机(3)通过电机安装底座安装于所述升降部；所述转轴组件包括竖向设置的旋转下轴(5)、旋转上轴(6)和扭杆；所述旋转下轴(5)的下端通过联轴器(4)连接于所述电机(3)的输出轴，以在所述电机(3)的带动下转动；所述旋转下轴(5)的上部具有开口朝上的第一花键轴孔；所述旋转上轴(6)的下部具有开口朝下的第二花键轴孔；所述扭杆(7)上下两端均具有花键，分别安装于所述第二花键轴孔和所述第一花键轴孔；且两个所述转动角度测量传感器(8)分别安装于所述旋转下轴(5)和所述旋转上轴(6)，配置成实时测量所述旋转下轴(5)和所述旋转上轴(6)的旋转角度，以基于所述旋转下轴(5)和所述旋转上轴(6)的旋转角度控制所述电机(3)的转速；

旋转平板(9)，安装于所述旋转上轴(6)，用于放置液滴，且在受力时转动以带动所述旋转上轴(6)转动；

拍摄装置，与所述旋转平板同步转动地安装于所述底座，以跟随旋转的所述液滴转动拍摄所述液滴。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述底座(1)的上端面设置有与所述转盘同轴的呈环状的滑动槽；且所述拍摄装置包括：

移动台架，安装于所述滑动槽；

相机，安装于所述移动台架；

冷光源灯，安装于所述相机移动台架。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，还包括：

驱动电机，安装于所述移动台架；

第一齿轮，安装于所述驱动电机的输出轴；

第二齿轮，是内齿轮且安装于滑动槽内，且与所述第一齿轮啮合，以使所述驱动电机转动时，使所述移动台架沿滑动槽转动。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，基于所述旋转上轴(6)的旋转角度控制所述拍摄装置的转速，以使所述拍摄装置与所述旋转平板(9)同步运动。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述旋转平板(9)上标定有起始位置，以在每次测量时所述液滴都要落在所述起始位置。

6.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，每次测量前，所述相机都要用高精度的小球进行对焦。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，测量用的所述液滴体积为3-10微升。