CN109374479A - 基于力学测试确定变温条件下固体材料表面能的方法 - Google Patents

Abstract

一种基于力学测试确定变温条件下固体材料表面能的方法，所述方法是采用力学测试装置，选择测试溶液，测试不同温度和浓度条件下所选测试溶液的表面张力，测试不同温度和溶液浓度条件下固体试样在测试溶液中降升时的单位周长平均润湿力，再根据测试溶液表面张力和固体试样的单位周长平均润湿力的关系计算出对应温度和浓度条件下固体试样与测试溶液间的动态接触角；然后确定不同温度下固体试样的表面能；最后根据不同温度下固体材料表面能拟合出所测定固体试样表面能随温度的变化规律，本方法准确地测试出了固体材料的整体平均表面能，特别是非均质固体材料，具有重要的科学意义和广阔的应用前景。

Description

基于力学测试确定变温条件下固体材料表面能的方法

技术领域

本发明涉及一种固体材料表面能的测试方法，尤其是一种基于力学测试确定变温条件下固体材料表面能的方法。

背景技术

受测试理论与测试技术的限制，固体材料的表面能不可直接测试，目前主要采用劈裂功法、颗粒沉降法、熔融外推法、溶解热法、薄膜浮选法、接触角法、反气相色谱法等间接测试的方法，但均存在明显的不足，尤其是煤、岩石等非均质固体材料，一般认为光学法比较合适，但也存在着明显的缺陷，采用光学法测试静态接触角确定的表面能，只能代表测试点的表面能，不能准确表征试样整体的表面能，使测试结果存在较大偏差，这种现状严重影响了固体材料表面能的准确测试及相关领域研究的进展。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，本发明提供一种基于力学测试确定变温条件下固体材料表面能的方法。

实现本发明上述目的是通过以下技术方案实现。

一种基于力学测试确定变温条件下固体材料表面能的方法，其特征在于：

所述测试方法是通过恒温池升降按钮和恒温池升降装置调节恒温池和溶液池的高度；通过试样升降装置和试样位移传感器实现试样和白金吊环在测试溶液中的升降高度；通过恒温水浴调节器调控并维持恒温水浴箱中的介质温度，并由恒温池进液管及其蠕动泵向恒温池输送恒温介质，由恒温池出液管进行回流，通过连续循环恒温介质实现恒温池和溶液池内部温度恒定不变，实现对对变温条件下固体材料或非均质固体材料表面能的测试；

上述测试方法是采用力学测试装置进行的，所述力学测试装置包括控制系统、恒温系统和测试系统；

所述控制系统是在控制台的前端面设置有恒温池升降按钮，上端面设置有恒温池升降装置，一侧通过试样位移数据传输线、力传感器数据传输线和温度传感器数据传输线分别连接有试样位移传感器、力传感器和温度传感器；另一侧通过蠕动泵电线和控制台输出线连接有蠕动泵和计算机，实现对试样位移传感器、力传感器、温度传感器和蠕动泵的控制；

所述恒温系统是恒温池通过恒温池升降装置支撑于控制台上，一侧通过恒温池进液管和恒温池出液管连通有恒温水浴箱，并在恒温水浴箱上设置有恒温水浴调节器，在恒温池进液管上安装有蠕动泵，实现对恒温池的温度调控；

所述测试系统是在支撑架的上端头并位于恒温池的正上方依次吊设有试样升降装置、试样位移传感器、力传感器及其试样和白金吊环，并通过控制系统控制恒温系统，由测试系统进行测试，实现对变温条件下固体材料表面能的力学测定；

进一步的附加技术特征方案如下。

一种基于力学测试确定变温条件下固体材料表面能的方法，其特征在于：所述变温条件下固体材料表面能的具体方法是按下列步骤进行的：

1）搭建力学测试装置并调试仪器；

2）测试测试溶液的表面张力

a、选择测试溶液

设选择的测试溶液（13）为A；配制n种浓度的测试溶液（13），n≧3，分别记为C₁，C₂，...，C_i，...，C_n；

b、设计测试温度

按目标要求设计m种测试温度，m≧3，分别记为T₁，T₂，...，T_j，...，T_m，按升温或降温顺序测试；

c、设置相关参数

设置相关参数是白金吊环尺寸、最大浸没深度、升降速度、循环次数，以及轻相-空气和重相-液体的密度和粘度；

d、测试过程

测试T₁温度下C₁浓度的A溶液的表面张力：

①配制C₁浓度的A溶液，量取100mL溶液置于溶液池（12），并将溶液池（12）置于恒温池（8），调节恒温水浴箱（6）的介质温度，打开蠕动泵（11）循环介质，使测试溶液（13）的温度为T₁，并保持恒定；

②用酒精喷灯煅烧白金吊环（17），清洁其表面，将白金吊环（17）悬挂于力传感器（15）下的吊钩上，按恒温池升降按钮（2）通过升降装置（4）调节恒温池（8）的高度，使白金吊环（17）位于测试溶液（13）的液面，将力传感器（15）的受力归0；

③控制白金吊环（17）匀速下降，使其缓慢进入测试溶液（13）到预设浸没深度后，再将其匀速升起至测试溶液（13）液面，此时白金吊环（17）将测试溶液（13）拉起一层液膜，在液膜将破未破时力传感器（15）测到的力达到最大值F _l1，循环此过程k次，取k次循环中测到的力最大值F _l1，F _l2，...，F _lk的平均值为；

④根据下式（1）计算T₁温度下C₁浓度A溶液的表面张力为：

（1）

式中，为测试溶液（13）的表面张力，mN·m^-1；为k次循环中力传感器（15）最大力的平均值，mN；R为白金吊环（17）的半径，m；f为修正系数，与白金吊环（17）的金属丝半径r、吊环半径R的大小和吊环材质有关；

⑤循环上述①-④，完成T₁温度下C₂，C₃，...，C_i，...，C_n浓度A溶液表面张力的测试和T₂，T₃，...，T_j，...，T_m温度下C₁，C₂，...，C_i，...，C_n浓度A溶液表面张力的测试，分别记为，i=1，2，3，...，n；j=1，2，3，...，m；

3）测试固体试样的单位周长润湿力

a、确定测试溶液的浓度和温度

采用步骤2）中已测定表面张力的C₁，C₂，...，C_i，...，C_n浓度的A种溶液，按浓度要求配制溶液；采用步骤2）中已测定溶液表面张力的温度，即T₁，T₂，...，T_j，...，T_m，按升温或降温顺序测试；

b、准备试样

将待测固体材料切割并打磨成：长10-25mm、宽5-15mm、厚3-8mm的表面平整清洁的块体试样，或直径5-15mm，高10-25mm的圆柱体试样，测试并记录其特征尺寸，再将其置于105-110℃的真空干燥箱中烘干至恒重，并称重记录；

c、设置相关参数

设置试样尺寸、最大浸没深度、升降速度、循环次数，以及测试温度下测试溶液的密度、粘度和表面张力参数；

d、测试过程

测试T₁温度C₁浓度溶液条件下一固体试样单位周长润湿力：

①量取100mL浓度为C₁的A测试溶液，将其倒入溶液池（12），并将溶液池（12）置于恒温池（8），调节恒温水浴箱（6）的介质温度，打开蠕动泵（11），进行恒温介质循环，使测试溶液（13）的温度为T₁，并保持不变；

②将准备好的待测试样（16）悬挂于力传感器（15）下的吊钩上，按升降按钮（2）通过升降装置（4）调节恒温池（8）的高度，使试样（16）位于测试溶液（13）液面，将力传感器（15）的受力归0；

③控制试样（16）匀速下降，使其缓慢进入测试溶液（13），当试样（16）达到预设浸没深度时，再将其匀速升起至测试溶液（13）的表面，自动记录试样升降过程中力传感器（15）测得的力F_t；

④在试样降升过程中，力传感器（15）测得的力F_t由试样润湿力F_W、试样重力F_G、溶液对试样的浮力F_b组成，即

（2）

式中，P为测试溶液（13）在试样表面的浸润周长，m；为测试溶液（13）的表面张力，mN·m^-1；θ _D为试样（16）与测试溶液（13）的表面动态接触角，°；为试样（16）进入测试溶液（13）中所受的浮力，mN；h为试样浸没深度，mm；mg为试样（16）的重力，mN；

将式（2）两边同除以试样（16）的周长P，得到试样（16）单位周长受力为：

（3）

同时，得到随试样浸没深度h的变化曲线，消除浮力F_b的影响，得到试样（16）的单位周长润湿力为：

（4）

即是-h关系曲线的直线段延长与试样浸没深度h=0的截距，对于煤与岩石低能物质采用试样下降过程计算单位周长润湿力，而高能物质采用上升过程计算单位周长润湿力；

⑤循环上述①-④，完成T₁温度C₂，C₃，...，C_i，...，C_n浓度A溶液条件下试样单位周长润湿力的测试和T₂，T₃，...，T_j，...，T_m温度C₁，C₂，...，C_i，...，C_n浓度A溶液条件下试样单位周长润湿力的测试，分别记为，i=1，2，3，...，n；j=1，2，3，...，m；

4）计算固体试样与测试溶液间的动态接触角

根据式（4）和测试结果和，i=1，2，3，...，n；j=1，2，3，...，m；计算出在不同温度和浓度溶液条件下固体试样与测试溶液表面动态接触角，i=1，2，3，...，n；j= 1，2，3，...，m；

5）确定固体试样表面能

确定T₁温度下试样的表面能：

根据Zisman原理，作T₁温度下图，与符合线性关系，将直线外延至，其交点所对应的横坐标值即为试样（16）在T₁温度下的临界润湿表面张力，在数值上与试样（16）在T₁温度下的表面能相等；

重复上述过程，获得固体试样（16）在T₂，T₃，...，T_j，...，T_m温度条件下的表面能，与T₁条件下的表面能一起，统一记为，j= 1，2，3，...，m；

6）确定固体试样表面能随温度的变化规律

作曲线图，图中曲线为固体试样（16）的表面能随温度T_j的变化规律。

一种基于力学测试确定变温条件下固体材料表面能的方法，其特征在于：所述恒温池和溶液池的调节高度是100mm。

一种基于力学测试确定变温条件下固体材料表面能的方法，其特征在于：所述试样和白金吊环在测试溶液中的调节高度是30mm，调节速度是1-20mm·min^-1。

一种基于力学测试确定变温条件下固体材料表面能的方法，其特征在于：所述恒温水浴调节器的介质包括水、油、酒精或液氮。

一种基于力学测试确定变温条件下固体材料表面能的方法，其特征在于：所述恒温池和溶液池的介质温度调范围是-30-+150℃。

一种基于力学测试确定变温条件下固体材料表面能的方法，其特征在于：所述力传感器的测试精度为1。

上述测试确定固体材料表面能方法的技术方案，克服了现有技术中固体材料表面能的测定只能代表测试点的表面能，未能准确表征试样整体的表面能，使测试结果存在较大偏差的不足；与现有技术相比，本方法根据不同条件下的块体固体材料，拟合出所测定块体固体试样表面能随温度的变化规律，准确地测出固体材料的整体平均表面能，特别是非均质固体材料，在外界温度控制系统的条件下，能够确定变温条件下固体材料的表面能，具有重要的科学意义和广阔的应用前景。

附图说明

图1是本方法中采用的装置结构示意图。

图2是本方法中测试溶液表面张力过程示意图。

图3是本方法中测试溶液表面张力过程中力随时间t变化关系示意图。

图4是本方法中测试固体试样单位周长润湿力过程中力随浸没深度h变化关系示意图。

图5是本方法中线性关系示意图。

图6是本方法中线性关系示意图。

图7是本方法实施例中测试SDS溶液表面张力过程中力随时间t变化关系示意图。

图8是本方法实施例中测试煤样单位周长润湿力过程中力随浸没深度h变化关系示意图。

图9是本方法实施例中线性关系示意图。

图10是本方法实施例中线性关系示意图。

图中：1-控制台；2-恒温池升降按钮；3-支撑架；4-恒温池升降装置；5-试样升降装置；6-恒温水浴箱；7-恒温水浴调节器；8-恒温池；9-恒温池进液管；10-恒温池出液管；11-蠕动泵；12-溶液池；13-测试溶液；14-测试溶液温度传感器；15-力传感器；16-试样；17-白金吊环；18-试样位移数据传输线；19-力传感器数据传输线；20-温度传感器数据传输线；21-控制台输出线；22-计算机；23-试件位移传感器。

具体实施方式

实施本发明上述所提供的一种基于力学测试确定变温条件下固体材料表面能的方法，本方法所采用的力学测试装置包括控制系统、恒温系统和测试系统；其中的控制系统包括：控制台1、恒温池升降按钮2、支撑架3、恒温池升降装置4、试样升降装置5、试样位移数据传输线18、力传感器数据传输线19、温度传感器数据传输线20、控制台输出线21及计算机22；其中的恒温系统包括：恒温水浴箱6、恒温水浴调节器7、恒温池8、恒温池进液管9、恒温池出液管10及蠕动泵11；其中的测试系统包括：溶液池12、探测溶液13、温度传感器14、力传感器15、试样位移传感器23、试样16及白金吊环17，如附图1所示。

其构成在于：恒温池升降按钮2是设置于控制台1的前端面；恒温池8是位于控制台1的整上面，并通过恒温池升降装置4上下移动；溶液池12置于恒温池8中；试样升降装置5悬吊于支撑架3的方，并位于恒温池8的正上方；试样位移传感器23和力传感器15是设于试样升降装置5的正下方；温度传感器14位于溶液池12中；试样位移传感器23、力传感器15和测试温度传感器14分别通过试样位移数据传输线18、力传感器数据传输线19、温度传感器数据传输线20与控制台1相连接；控制台1通过控制台输出线与计算机22相连接；恒温水浴箱6通过恒温池进液管9、恒温池出液管10和蠕动泵11与恒温池8相连通。

采用上述测试装置的测试方法是通过恒温池升降按钮2和恒温池升降装置4调节恒温池8和溶液池12的高度，调节高度范围是100mm；通过试样升降装置5、式样位移传感器23实现试样16和白金吊环17在测试溶液中的准确升降，调节高度范围是30mm，可调节速度范围是1-20mm·min^-1。

采用上述测试装置的测试方法是通过恒温水浴调节器7调控并维持恒温水浴箱6中介质的温度，介质包含但不限于水、油、酒精、液氮，并由恒温池进液管9、蠕动泵11向恒温池8输送恒温介质，由恒温池出液管10进行回流，通过连续循环恒温介质实现恒温池8和溶液池12内的温度恒定不变，其介质温度调范围是-30-+150℃，测试方法中力传感器的测试精度为1。

进一步地，采用上述测试装置的测试方法是按下列步骤进行的：

1）搭建测试装置，并检查并调试仪器。

2）测试溶液的表面张力

a、选择测试溶液

选择测试溶液13的基本要求是测试溶液13具有微量改变溶液浓度，即可明显改变溶液表面张力的特点，并且测试溶液13与试样16不发生化学反应，设选择的测试溶液13为A；配制n种浓度的测试溶液13，n≧3，分别记为C₁，C₂，...，C_i，...，C_n。

b、设计测试温度

按目标要求设计m种测试温度，m≧3，分别记为T₁，T₂，...，T_j，...，T_m，按升温或降温顺序测试。

c、设置相关参数

设置的相关参数主要包括白金吊环17的尺寸、最大浸没深度、升降速度、循环次数，以及轻相-空气和重相-液体的密度、粘度。

d、测试过程

以T₁温度下C₁浓度的A溶液的表面张力测试为例：

①配制C₁浓度的A溶液，量取100mL溶液倒入溶液池12中，并将溶液池12置于恒温池8中，调节恒温水浴箱6中的介质温度，打开蠕动泵11循环介质，使测试溶液13的温度为T₁，并保持不变；

②用酒精喷灯煅烧白金吊环17，清洁其表面，将白金吊环17悬挂于力传感器15下方的吊钩上，按恒温池升降按钮2通过恒温池升降装置4调节恒温池8的高度，使白金吊环17位于测试溶液13的液面上，将力传感器15的受力归0；

③测试过程如附图2所示，控制白金吊环17匀速下降，使其缓慢进入测试溶液13，等白金吊环17达到预设浸没深度后，再将其匀速升起至测试溶液13的液面，此时白金吊环17将测试溶液13拉起一层液膜，在液膜将破未破时力传感器15测到的力达到最大值，循环此过程k次，如附图3所示，取k次循环中测到的力最大值F _l1，F _l2，...，F _lk的平均值为；

④根据式（1）计算T₁温度下C₁浓度A溶液的表面张力：

（1）

式中，为测试溶液13的表面张力，mN·m^-1；为k次循环中力传感器15最大力的平均值，mN；R为白金吊环17的半径，m；f为修正系数，与白金吊环17的金属丝半径r、吊环半径R和吊环材质有关；

⑤循环上述①-④，完成T₁温度下C₂，C₃，...，C_i，...，C_n浓度A溶液表面张力的测试和T₂，T₃，...，T_j，...，T_m温度下C₁，C₂，...，C_i，...，C_n浓度A溶液表面张力的测试，分别记为（i=1，2，3，...，n；j=1，2，3，...，m）。

3）测试固体试样的单位周长润湿力

a、确定测试溶液的浓度和温度

采用步骤2）中已测定表面张力的C₁，C₂，...，C_i，...，C_n浓度的A种溶液，按浓度要求配制溶液；采用步骤2）中已测试溶液13的表面张力的温度，即T₁，T₂，...，T_j，...，T_m，按升温或降温顺序测试。

b、准备试样

将待测固体材料切割并打磨成长10-25mm、宽5-15mm、厚3-8mm的表面平整清洁的块体固体材料试样，或直径5-15mm，高10-20mm的圆柱体固体材料试样，测试并记录其特征尺寸，再将其放置在105-110℃的真空干燥箱中烘干至恒重，并称重记录。

c、设置相关参数

需要设置的参数主要包括：试样尺寸、最大浸没深度、升降速度、循环次数，以及测试温度下测试溶液13的密度、粘度和表面张力等。

d、测试过程

以T₁温度C₁浓度溶液条件下一个固体试样单位周长润湿力的测试为例：

①量取100mL浓度为C₁的A测试溶液13，将其倒入溶液池12中，并将溶液池12置于恒温池8中，调节恒温水浴箱6中的介质温度，打开蠕动泵11，进行恒温介质循环，使测试溶液13的温度为T₁，并保持不变；

②将准备好的待测试样16悬挂于力传感器15下方的吊钩上，按升恒温池降按钮2通过式样升降装置5调节恒温池8的高度，使试样16位于测试溶液13的液面上，将力传感器15的受力归0；

③控制试样匀速下降，使其缓慢进入测试溶液13中，当试样达到预设最大浸没深度时，再将其匀速升起至测试溶液13的表面，系统自动记录试样升降过程中力传感器15测得的力F_t；

④在试样16的降升过程中，力传感器15测得的力F_t由试样润湿力F_W、试样重力F_G、溶液对试样的浮力F_b组成，即

（2）

式中，P为测试溶液13在试样16表面的浸润周长，m；为测试溶液13的表面张力，mN·m^-1；θ _D为试样16与测试溶液13的表面动态接触角，°；为试样16进入测试溶液13中所受的浮力，mN；h为试样16浸没深度，mm；mg为试样16的重力，mN；由于测试开始时已将力传感器15的受力归0，即测试结果中已消除了试样16的重力，将式（2）两边同除以试样16的周长P，得到试样16单位周长受力为：

（3）

同时，得到随试样16浸没深度h的变化曲线，由试样16下降过程与上升过程两部分组成，消除浮力F_b的影响，得到试，16的单位周长润湿力为：

（4）

即是-h关系曲线的直线段延长与试样16浸没深度h=0的截距，对于煤与岩石等低能物质采用试样16下降过程计算单位周长润湿力，而高能物质可采用上升过程计算单位周长润湿力。

⑤循环上述①-④，完成T₁温度C₂，C₃，...，C_i，...，C_n浓度A溶液条件下16单位周长润湿力的测试和T₂，T₃，...，T_j，...，T_m温度C₁，C₂，...，C_i，...，C_n浓度A溶液条件下试样16单位周长润湿力的测试，分别记为（i=1，2，3，...，n；j=1，2，3，...，m）。

4）计算固体试样与测试溶液间的动态接触角

根据式（4）和所述的测试结果和（i=1，2，3，...，n；j=1，2，3，...，m）可计算出在不同温度和浓度溶液条件下固体试样16与测试溶液13表面动态接触角（i=1，2，3，...，n；j= 1，2，3，...，m）。

5）确定固体试样表面能

以T₁温度下试样的表面能确定为例：

根据Zisman原理，作T₁温度下图，如附图5所示，与符合线性关系，将直线外延至，其交点所对应的横坐标值即为试样16在T₁温度下的临界润湿表面张力，在数值上与试样16在T₁温度下的表面能相等。

重复上述过程，可得到固体试样16在T₂，T₃，...，T_j，...，T_m温度条件下的表面能，与T₁条件下的表面能一起，统一记为（j= 1，2，3，...，m）。

8）确定固体试样表面能随温度的变化规律

作曲线图，如附图6所示，图中曲线就为固体试样16的表面能随温度T_j的变化规律。

具体实施例1

以下是结合附图和实例对本发明具体实施方式作出进一步说明。

以测试变温条件下半亮煤表面能为例。

1）搭建测试系统

搭建所述的测试系统，检查并调试仪器。

2）测试测试溶液的表面张力

a、选择测试溶液

固体表面能的测试结果与所使用的测试溶液的选择无关，考虑到十二烷基硫酸钠（简称SDS）溶液具有微量添加即可改变水溶液的表面张力的特点，选用其为测试溶液；配置浓度为3.5×10^-4mol·L^-1、7.0×10^-4mol·L^-1、1.7×10^-3mol·L^-1、3.5×10^-3mol·L^-1和7.0×10^-3mol·L^-1的5种SDS水溶液。

b、设计测试温度

按目标要求设计5种温度：20℃、40℃、60℃、80℃、90℃，按升温顺序测试。

c、设置相关参数

选择标准白金吊环，半径R=9.58mm，金属丝半径r=0.185mm；设置最大浸没深度为5mm，升降速度为5mm·min^-1，循环10次。

d、测试过程

以20℃温度下SDS溶液3.5×10^-4mol·L^-1浓度的表面张力测试为例：

①配制3.5×10^-4mol·L^-1浓度的SDS溶液，量取100mL溶液倒入溶液池中，并将溶液池置于恒温池中，调节恒温水浴箱中的介质温度，打开蠕动泵循环介质，使测试溶液的温度为20℃，并保持不变；

②用酒精喷灯煅烧白金吊环，清洁其表面，将白金吊环悬挂于高精度力传感器下方的吊钩上，按升降按钮通过升降方法调节恒温池的高度，使白金吊环位于测试溶液液面上，将高精度力传感器的受力归0；

③测试过程如附图2所示，控制白金吊环匀速下降，使其缓慢进入测试溶液，等白金吊环浸没深度达到5mm后，再将其匀速升起至测试溶液的表面，此时白金吊环将测试溶液拉起一层液膜，在液膜将破未破时高精度力传感器测到的力达到最大值4.16mN，循环此过程10次，如附图7所示，取10次循环中测到的力最大值4.160mN、4.101mN、4.103mN、4.081mN、4.076mN、4.068mN、4.040mN、4.078mN、4.053mN、4.076mN的平均值4.084mN；

④根据式（1）计算20℃时SDS溶液3.5×10^-4mol·L^-1浓度的表面张力为45.092mN·m^-1，

（1）

式中，为测试溶液的表面张力，mN·m^-1；为10次循环中高精度力传感器最大力的平均值，为4.084mN；R为白金吊环的半径，为9.58×10^-3m；f为修正系数，取0.88。

⑤循环上述①-④，完成20℃温度下SDS溶液7.0×10^-4mol·L^-1、1.7×10^-3mol·L^-1、3.5×10^-3mol·L^-1和7.0×10^-3mol·L^-1浓度表面张力的测试和40℃、60℃、80℃、90℃温度下SDS溶液7.0×10^-4mol·L^-1、1.7×10^-3mol·L^-1、3.5×10^-3mol·L^-1和7.0×10^-3mol·L^-1浓度表面张力的测试，测试结果见下表。

表1 SDS溶液表面张力测试结果

3）测试煤样的单位周长润湿力

a、确定测试溶液的浓度和温度

配置浓度为3.5×10^-4mol·L^-1、7.0×10^-4mol·L^-1、1.7×10^-3mol·L^-1、3.5×10^{- 3}mol·L^-1和7.0×10^-3mol·L^-1的5种SDS水溶液。按目标要求设计5种温度：20℃、40℃、60℃、80℃、90℃，按升温顺序测试。

b、准备煤样

将煤样切割后打磨成表面平整清洁的片状块体，测试其长×宽×厚为：19.0mm×9.3mm×4.2mm；将打磨好的煤样放置378-383K的真空干燥箱中烘干至恒重，称其重为1.19g。

c、设置相关参数

设置煤样最大浸没深度为8mm，升降速度为20mm·min^-1。

d、测试过程

以20℃、3.5×10^-4mol·L^-1浓度溶液条件下煤样单位周长润湿力的测试为例：

①量取100mL浓度为3.5×10^-4mol·L^-1的SDS测试溶液，将其倒入溶液池中，并将溶液池置于恒温池中，调节恒温水浴箱中的介质温度，打开蠕动泵，进行恒温介质循环，使测试溶液的温度为20℃，并保持不变；

②将准备好的待测煤样悬挂于高精度力传感器下方的吊钩上，按升降按钮通过升降方法调节恒温池的高度，使煤样位于测试溶液液面上，将高精度力传感器的受力归0；

③控制煤样以20mm·min^-1速度匀速下降，使其缓慢进入测试溶液中，当煤样浸没深度达到8mm时，再将其匀速升起至测试溶液的表面，系统自动记录煤样升降过程中高精度力传感器测得的力F_t；

④将F_t除以试样的周长P，得到试样单位周长受力：

（2）

同时，得到随试样浸没深度h的变化曲线，由试样下降过程与上升过程两部分组成，如附图8所示。消除浮力F_b的影响，得到试样的单位周长润湿力为：

（3）

就是-h线性关系直线与h=0的截距，对于煤与岩石等低能物质采用试样下降过程计算单位周长润湿力，而高能物质可采用上升过程计算单位周长润湿力，因此得到20℃、3.5×10^-4mol·L^-1浓度溶液条件下煤样单位周长润湿力为16.233mN·m^-1；

⑤循环上述①-④，完成20℃温度SDS溶液7.0×10^-4mol·L^-1、1.7×10^-3mol·L^-1、3.5×10^-3mol·L^-1和7.0×10^-3mol·L^-1浓度条件下煤样单位周长润湿力的测试和40℃、60℃、80℃、90℃温度SDS溶液3.5×10^-4mol·L^-1、7.0×10^-4mol·L^-1、1.7×10^-3mol·L^-1、3.5×10^-3mol·L^-1和7.0×10^-3mol·L^-1浓度条件下煤样单位周长润湿力的测试，测试结果见下表。

表2 煤样单位周长润湿力

4）计算煤样与SDS溶液间的动态接触角

由SDS溶液表面张力和单位周长润湿力，根据式（3）可计算出在不同温度和浓度溶液条件下煤样与SDS溶液表面动态接触角，计算结果见下表。

表3 煤样与SDS溶液表面动态接触角

5）确定煤样表面能

根据Zisman原理，作20℃时图，如附图9所示，与符合线性关系，将直线外延至，其交点所对应的横坐标值23.1935即为煤样在20℃的临界润湿表面张力，该值在数值上与煤样在20℃的表面能相等。

重复上述过程，可得到煤样在40℃、60℃、80℃、90℃温度条件下的表面能，其结果见表所示。

表4 不同温度下煤样表面能

6）确定煤样表面能随温度的变化规律

作曲线图，如附图10所示，图中曲线就为煤样的表面能随温度T_j的变化规律。

Claims (7)

1.一种基于力学测试确定变温条件下固体材料表面能的方法，其特征在于：

所述测试方法是通过恒温池升降按钮（2）和恒温池升降装置（4）调节恒温池（8）和溶液池（12）的高度；通过试样升降装置（5）和试样位移传感器（23）实现试样（16）和白金吊环（17）在测试溶液中的升降高度；通过恒温水浴调节器（7）调控并维持恒温水浴箱（6）中的介质温度，并由恒温池进液管（9）及其蠕动泵（11）向恒温池（8）输送恒温介质，由恒温池出液管（10）进行回流，通过连续循环恒温介质实现恒温池（8）和溶液池（12）内部温度恒定不变，实现对变温条件下固体材料或非均质固体材料表面能的测试；

上述测试方法是采用力学测试装置进行的，所述力学测试装置包括控制系统、恒温系统和测试系统；

所述控制系统是在控制台（1）的前端面设置有恒温池升降按钮（2），上端面设置有恒温池升降装置（4），一侧通过试样位移数据传输线（18）、力传感器数据传输线（19）和温度传感器数据传输线（20）分别连接有试样位移传感器（23）、力传感器（15）和温度传感器（14）；另一侧通过蠕动泵电线和控制台输出线（21）连接有蠕动泵（11）和计算机（22），实现对试样位移传感器（23）、力传感器（15）、温度传感器（14）和蠕动泵（11）的控制；

所述恒温系统是恒温池（8）通过恒温池升降装置（4）支撑于控制台（1）上，一侧通过恒温池进液管（9）和恒温池出液管（10）连通有恒温水浴箱（6），并在恒温水浴箱（6）上设置有恒温水浴调节器（7），在恒温池进液管（9）上安装有蠕动泵（11），实现对恒温池（8）的温度调控；

所述测试系统是在支撑架（3）的上端头并位于恒温池（8）的正上方依次吊设有试样升降装置（5）、试样位移传感器（23）、力传感器（15）及其试样（16）和白金吊环（17），并通过控制系统控制恒温系统，由测试系统进行测试，实现对变温条件下固体材料表面能的力学测定。

2.如权利要求1所述的基于力学测试确定变温条件下固体材料表面能的方法，其特征在于：所述变温条件下固体材料表面能的具体方法是按下列步骤进行的：

1）搭建力学测试装置并调试仪器；

2）测试测试溶液的表面张力

a、选择测试溶液

设选择的测试溶液（13）为A；配制n种浓度的测试溶液（13），n≧3，分别记为C₁，C₂，...，C_i，...，C_n；

b、设计测试温度

按目标要求设计m种测试温度，m≧3，分别记为T₁，T₂，...，T_j，...，T_m，按升温或降温顺序测试；

c、设置相关参数

设置相关参数是白金吊环尺寸、最大浸没深度、升降速度、循环次数，以及轻相-空气和重相-液体的密度和粘度；

d、测试过程

测试T₁温度下C₁浓度的A溶液的表面张力：

①配制C₁浓度的A溶液，量取100mL溶液置于溶液池（12），并将溶液池（12）置于恒温池（8），调节恒温水浴箱（6）的介质温度，打开蠕动泵（11）循环介质，使测试溶液（13）的温度为T₁，并保持恒定；

②用酒精喷灯煅烧白金吊环（17），清洁其表面，将白金吊环（17）悬挂于力传感器（15）下的吊钩上，按恒温池升降按钮（2）通过升降装置（4）调节恒温池（8）的高度，使白金吊环（17）位于测试溶液（13）的液面，将力传感器（15）的受力归0；

③控制白金吊环（17）匀速下降，使其缓慢进入测试溶液（13）到预设浸没深度后，再将其匀速升起至测试溶液（13）液面，此时白金吊环（17）将测试溶液（13）拉起一层液膜，在液膜将破未破时力传感器（15）测到的力达到最大值F _l1，循环此过程k次，取k次循环中测到的力最大值F _l1，F _l2，...，F _lk的平均值为；

④根据下式（1）计算T₁温度下C₁浓度A溶液的表面张力为：

（1）

式中，为测试溶液（13）的表面张力，mN·m^-1；为k次循环中力传感器（15）最大力的平均值，mN；R为白金吊环（17）的半径，m；f为修正系数，与白金吊环（17）的金属丝半径r、吊环半径R的大小和吊环材质有关；

⑤循环上述①-④，完成T₁温度下C₂，C₃，...，C_i，...，C_n浓度A溶液表面张力的测试和T₂，T₃，...，T_j，...，T_m温度下C₁，C₂，...，C_i，...，C_n浓度A溶液表面张力的测试，分别记为，i=1，2，3，...，n；j=1，2，3，...，m；

3）测试固体试样的单位周长润湿力

a、确定测试溶液的浓度和温度

采用步骤2）中已测定表面张力的C₁，C₂，...，C_i，...，C_n浓度的A种溶液，按浓度要求配制溶液；采用步骤2）中已测定溶液表面张力的温度，即T₁，T₂，...，T_j，...，T_m，按升温或降温顺序测试；

b、准备试样

将待测固体材料切割并打磨成：长10-25mm、宽5-15mm、厚3-8mm的表面平整清洁的块体试样，或直径5-15mm，高10-25mm的圆柱体试样，测试并记录其特征尺寸，再将其置于105-110℃的真空干燥箱中烘干至恒重，并称重记录；

c、设置相关参数

设置试样尺寸、最大浸没深度、升降速度、循环次数，以及测试温度下测试溶液的密度、粘度和表面张力参数；

d、测试过程

测试T₁温度C₁浓度溶液条件下一固体试样单位周长润湿力：

①量取100mL浓度为C₁的A测试溶液，将其倒入溶液池（12），并将溶液池（12）置于恒温池（8），调节恒温水浴箱（6）的介质温度，打开蠕动泵（11），进行恒温介质循环，使测试溶液（13）的温度为T₁，并保持不变；

②将准备好的待测试样（16）悬挂于力传感器（15）下的吊钩上，按升降按钮（2）通过升降装置（4）调节恒温池（8）的高度，使试样（16）位于测试溶液（13）液面，将力传感器（15）的受力归0；

③控制试样（16）匀速下降，使其缓慢进入测试溶液（13），当试样（16）达到预设浸没深度时，再将其匀速升起至测试溶液（13）的表面，自动记录试样升降过程中力传感器（15）测得的力F_t；

④在试样降升过程中，力传感器（15）测得的力F_t由试样润湿力F_W、试样重力F_G、溶液对试样的浮力F_b组成，即

（2）

式中，P为测试溶液（13）在试样表面的浸润周长，m；为测试溶液（13）的表面张力，mN·m^-1；θ _D为试样（16）与测试溶液（13）的表面动态接触角，°；为试样（16）进入测试溶液（13）中所受的浮力，mN；h为试样浸没深度，mm；mg为试样（16）的重力，mN；

将式（2）两边同除以试样（16）的周长P，得到试样（16）单位周长受力为：

（3）

同时，得到随试样浸没深度h的变化曲线，消除浮力F_b的影响，得到试样（16）的单位周长润湿力为：

（4）

即是-h关系曲线的直线段延长与试样浸没深度h=0的截距，对于煤与岩石低能物质采用试样下降过程计算单位周长润湿力，而高能物质采用上升过程计算单位周长润湿力；

⑤循环上述①-④，完成T₁温度C₂，C₃，...，C_i，...，C_n浓度A溶液条件下试样单位周长润湿力的测试和T₂，T₃，...，T_j，...，T_m温度C₁，C₂，...，C_i，...，C_n浓度A溶液条件下试样单位周长润湿力的测试，分别记为，i=1，2，3，...，n；j=1，2，3，...，m；

4）计算固体试样与测试溶液间的动态接触角

根据式（4）和测试结果和，i=1，2，3，...，n；j=1，2，3，...，m；计算出在不同温度和浓度溶液条件下固体试样与测试溶液表面动态接触角，i=1，2，3，...，n；j= 1，2，3，...，m；

5）确定固体试样表面能

确定T₁温度下试样的表面能：

根据Zisman原理，作T₁温度下图，与符合线性关系，将直线外延至，其交点所对应的横坐标值即为试样（16）在T₁温度下的临界润湿表面张力，在数值上与试样（16）在T₁温度下的表面能相等；

重复上述过程，获得固体试样（16）在T₂，T₃，...，T_j，...，T_m温度条件下的表面能，与T₁条件下的表面能一起，统一记为，j= 1，2，3，...，m；

6）确定固体试样表面能随温度的变化规律

作曲线图，图中曲线为固体试样（16）的表面能随温度T_j的变化规律。

3.如权利要求1所述的基于力学测试确定变温条件下固体材料表面能的方法，其特征在于：所述恒温池（8）和溶液池（12）的调节高度是100mm。

4.如权利要求1所述的基于力学测试确定变温条件下固体材料表面能的方法，其特征在于：所述试样（16）和白金吊环（17）在测试溶液中的调节高度是30mm，调节速度是1-20mm·min^-1。

5.如权利要求1所述的基于力学测试确定变温条件下固体材料表面能的方法，其特征在于：所述恒温水浴调节器（7）的介质包括水、油、酒精或液氮。

6.如权利要求1所述的基于力学测试确定变温条件下固体材料表面能的方法，其特征在于：所述恒温池（8）和溶液池（12）的介质温度调范围是-30-+150℃。

7.如权利要求1所述的基于力学测试确定变温条件下固体材料表面能的方法，其特征在于：所述力传感器（15）的测试精度为1。