CN109540742A - 一种用于测定表面浸润性质的多功能接触角原位测试池及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测定表面浸润性质的多功能接触角原位测试池及其应用，包括高压圆筒、样品测控机构、样品位置调控机构；高压圆筒是整个原位测试池的主体，分别与样品测控机构、样品位置调控机构连接，通过样品位置调控机构来控制样品的释放位置，通过样品测控机构来调整高压圆筒内的测试环境。本发明原位测试池可以预先对待测的固体衬底表面进行清洗、修饰和改性，并在高压、特种气氛以及高温下测定液体及熔体与固体表面的接触角，对二者在界面上的浸润性能进行评估。利用本发明的原位测试池得到的数据，可以为表面改性及处理、多组份复合材料和结构的设计提供重要依据。

Description

一种用于测定表面浸润性质的多功能接触角原位测试池及其 应用

技术领域

本发明涉及一种用于测定表面浸润性质的多功能接触角原位测试池及其应用，属于新材料及化工设备技术领域。

背景技术

界面浸润性能在现代材料设计、化学研究和化工生产中具有十分重要的影响，与之相关的研究工作引起了越来越广泛的关注。无论是超疏水/超亲水界面的构建，还是化工设备表面防护层的设计和制造，以及多组分有机-无机复合功能材料界面结构的设计，都与界面浸润性能息息相关。为此，人们对多种液-固界面以及熔体-固体界面的接触角进行了测量，得到了大量具有很高参考价值的数据。但是，如果能够在各种特殊条件(高压、高温、不同的表面状态以及各种活性气氛)下连续地测定液-固界面以及熔体-固体界面的接触角，并搞清楚这些特殊条件对界面接触角的影响规律，势必会为化工设备表面防护层以及多组份复合材料的设计和制造提供更多、更重要的依据。

但是，到目前为止还没有能够实现这种功能的设备，特别是一种能够在极端条件下原位实时测定界面接触角的设备。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种用于测定表面浸润性质的多功能接触角原位测试池，其可以在多种特殊条件(包括对固体衬底表面进行预修饰、高压、高温、特种气氛)下连续、实时地测定液-固及熔体-固体界面接触角，从而对二者的浸润性能进行评估。

本发明还提供上述一种用于测定表面浸润性质的多功能接触角原位测试池的工作方法。

本发明的技术方案如下：

一种多功能接触角原位测试池，包括高压圆筒、样品测控机构、样品位置调控机构；

高压圆筒的左右两端由内至外依次安装有支撑圆环、窗口片、密封垫片、密封锤、密封圈和压紧法兰，压紧法兰与高压圆筒固定连接；高压圆筒的外周壁设置有加热炉丝和保温层，保温层的两端通过定位法兰盘紧固且定位法兰盘与高压圆筒固定连接；

样品测控机构包括导热导流圆筒、样品台和热电偶，导热导流圆筒置于高压圆筒内腔且样品台放置在导热导流圆筒内，热电偶穿过保温层、高压圆筒、导热导流圆筒后一端与样品台接触；

样品位置调控机构包括高压连接管、样品导向管、高压钢管、样品推杆；高压连接管贯穿保温层且底端与高压圆筒固定连接，顶端与高压钢管连接，样品导向管置于高压连接管内，样品推杆置于高压钢管内且样品推杆的底端位于样品导向管内；

或样品位置调控机构包括高压连接管、液体滴加管，高压连接管贯穿保温层且底端与高压圆筒固定连接，顶端与液体滴加管连接，液体滴加管上设有液体开关阀门。

优选的，所述高压圆筒内腔连接一充排气管，充排气管上设置有充排气阀门。此设计的好处是，通过充排气管连接气泵，对高压圆筒内腔进行充排气来调节高压圆筒的内压力以及更换不同的气体气氛。

优选的，所述高压圆筒的内腔两端呈阶梯状，支撑圆环、窗口片、密封垫片、密封锤、密封圈、压紧法兰位于两端的阶梯孔内。

优选的，所述压紧法兰通过拉紧螺杆与高压圆筒固定连接。

优选的，所述定位法兰盘通过定位销钉与高压圆筒固定连接。

优选的，所述热电偶插入电偶管内用于测量温度，电偶管通过锁母与高压圆筒固定连接。

优选的，所述高压连接管通过连接管锁母与高压圆筒固定连接。

优选的，所述高压连接管顶端通过钢管对接头与高压钢管固定连接。

优选的，所述样品推杆的顶端设有一软铁柱，高压钢管置入一环形磁铁内。

优选的，所述样品导向管的上部设有卡套，样品导向管的底端呈窄口结构。

优选的，所述密封锤的一端开设有凹形缺口，另一端为锥形结构，密封锤的轴向开设有通光孔。

优选的，所述样品台的底部一侧开设有方形凹槽。

一种多功能接触角原位测试池的工作方法，包括以下步骤：

(1)将固体衬底放置于样品台的中央，再把支撑圆环、密封垫片、窗口片、密封锤、密封圈以及压紧法兰安装在高压圆筒的两端，拧紧拉紧螺杆密封高压腔体；

(2)将样品导向管安装到位，并在样品导向管腔内上部放置待测的固态样品，然后，将内置样品推杆的高压钢管通过卡套连接到钢管对接头上，完成整个系统的高压密封；

或者，将装有待测液体的液体滴加管连接到钢管对接头上，并关闭液体阀门，完成整个系统的高压密封；

(3)通过加热炉丝对样品台和整个高压腔体加热，再打开充排气阀门对高压腔体抽真空，从而获得清洁的衬底表面；随后向高压腔体中充入气体至常压，并移动环形磁铁驱动样品推杆下移，将固态样品推送到衬底表面并熔化成液滴，或打开液体开关阀门，使液体样品滴落在衬底表面。

本发明的有益效果在于：

1)将本发明原位测试池与常规的接触角测试仪结合，可以在多种特殊条件(包括对固体衬底表面进行预修饰、高压、高温、特种气氛)下连续、实时地测定液-固及熔体-固体界面接触角，从而对二者的浸润性能进行评估。

2)利用本发明提供的原位测试池可以对待测的固体衬底表面进行清洗、修饰和改性，并在高压、特种气氛以及高温下测定液体及熔体与固体表面的接触角，对二者在界面上的浸润性能进行评估；利用本发明的原位测试池得到的数据，可以为表面改性及处理、多组份复合材料和结构的设计提供重要依据。

3)本发明原位测试池结构设计科学合理，安装拆卸方便，能够完成多种条件下接触角的测试，作用明显，效果显著，值得推广应用。

附图说明

图1a是本发明多功能接触角原位测试池组装效果图；

图1b是本发明多功能接触角原位测试池组装效果图(液体滴加管)；

图2是本发明中样品推杆的结构示意图；

图3是本发明中样品导向管的结构示意图；

图4是本发明中高压连接管的结构示意图；

图5是本发明中定位法兰盘的结构示意图；

图6是本发明中压紧法兰的结构示意图；

图7是本发明中密封圈的结构示意图；

图8a是本发明中密封锤的结构示意图；

图8b是图8a密封锤的俯视图；

图9是本发明中支撑圆环的结构示意图；

图10a本发明中高压圆筒的侧视图；

图10b是图10a高压圆筒的主视剖面图；

图11a是本发明中样品台的仰视图；

图11b是图11a样品台的侧视图；

图12a是本发明中导热导流圆筒的侧视图；

图12b是图12a导热导流圆筒的主视剖面图；

图13是本发明中液体样品滴加管的结构示意图；

其中：1-环形磁铁，2-高压钢管，3-样品推杆，4-钢管对接头，5-样品导向管，6-高压连接管，7-固态样品，8-定位销钉，9-保温层，10-定位法兰盘，11-拉紧螺杆，12-压紧法兰，13-密封圈，14-密封锤，15-密封垫片，16-窗口片，17-支撑圆环，18-高压圆筒，19-充排气阀门，20-加热炉丝，21-连接管锁母，22-导热导流圆筒，23-液滴/熔体，24-固体衬底，25-样品台，26-电偶管锁母，27-热电偶，28-液体滴加管，29-方形凹槽。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1：

如图1a所示，本实施例提供一种多功能接触角原位测试池，包括高压圆筒18、样品测控机构、样品位置调控机构三大部分，具体而言；

高压圆筒18为中空的通腔结构，由耐高压钢材制作而成，其高压内腔的左右两端为阶梯孔，即阶梯状结构，左右两端的阶梯孔由内至外依次推入支撑圆环17、窗口片16、密封垫片15、密封锤14、密封圈13和压紧法兰12，压紧法兰12边缘通过四个拉紧螺杆11与高压圆筒18固定连接；高压圆筒18的外周壁缠绕有加热炉丝20并通过保温层9包裹，保温层9的两端通过定位法兰盘10紧固，且定位法兰盘10通过定位销钉8与高压圆筒18固定连接。

样品测控机构包括导热导流圆筒22、样品台25和热电偶27，导热导流圆筒22置于高压圆筒18内腔，样品台25放置在导热导流圆筒22内，热电偶27穿过保温层9、高压圆筒18、导热导流圆筒22后一端与样品台25接触，另一端连接外部的常规测试仪器；后续进行测试时，固体衬底24放置在样品台25上，热电偶27用于测试样品台的温度值。

样品位置调控机构包括高压连接管6、样品导向管5、高压钢管2、样品推杆3，高压连接管6贯穿保温层9、高压圆筒18、导热导流圆筒22，且高压连接管6顶端通过钢管对接头4与高压钢管2连接，样品导向管5置于高压连接管6内，样品推杆3置于高压钢管6内且样品推杆3的底端位于样品导向管5内。在该机构中，固态样品7的位置由样品推杆3控制，样品推杆3的位置则通过改变环形磁铁1的位置调控。这种通过磁场耦合方式调控样品位置的优点是，在确保整个高压腔体密封性能的同时，可以自如地控制样品的位置。另外，样品控制机构中使用了便于拆装且耐高压的钢管对接头，可以方便地在高温熔体和液体接触角测试模式之间转换。

其中，导热导流圆筒22的作用：一是使高压腔体内的温度场更均匀，二是将进入腔体的气流均匀地分散开，从而消除加热时高压气体产生的湍流对测试过程的干扰。样品导向管5的作用之一是限制每次加入的固态样品的量，另一个作用是保证样品准确地加到指定的位置上。

其中，钢管对接头4的作用是将存放样品推杆3的高压钢管2连接到高压腔体上，在方便更换样品的同时，实现整个体系的高压密封。高压连接管6的作用是将整个样品位置调控机构与高压腔体连接成一个密封且耐高压的整体。拉紧螺杆11则用于将压紧法兰12向高压圆筒18内压紧，压紧法兰12再挤压密封圈13使之延展和变形，实现高压腔体的密封。支撑圆环17的作用是为窗口片16提供支撑，防止它在密封锤14的单方向挤压下破裂。高压圆筒18是整个高压腔体的核心，衬底的预处理及样品的测试过程都在高压圆筒中完成。充排气阀门19的作用是方便对高压腔体抽真空和充放气，以便实现衬底预处理、高压、特殊气氛等多项功能。

其中，样品导向管5上端的小卡套用于固定导向管的位置，下端呈窄口结构设计用于控制每次加入的样品的量。高压连接管6的上端通过卡套和螺帽与钢管对接头4连接，下端则通过卡套和连接管锁母21与高压腔体连接。压紧法兰12的作用是挤压密封圈13，使之变形和实现高压腔体的密封，密封圈13采用塑料、橡胶和延展性能良好的金属加工，并在压紧法兰12的挤压下延展变形，实现高压腔体的密封。

高压圆筒18内腔连接一个充排气管，充排气管上设置有充排气阀门19。通过充排气管连接气泵，对高压圆筒内腔进行充排气来调节高压内腔的压力。可以对高压腔体抽真空或通入不同种类和压力的气体，使考察特殊环境对接触角的影响得以实现。这些特殊的原位测试数据，可以为调控表面和界面的浸润性能提供重要依据。高压圆筒18是整个原位测试池的主体，用耐高温金属材料加工，上部的两个孔分别用于连接高压连接管6和充排气管，下部的圆孔则用于连接热电偶管。

其中，高压连接管6通过连接管锁母21与高压圆筒18固定连接，连接管锁母21与高压圆筒18(上开设的孔)螺纹连接，高压连接管6穿过连接管锁母21。样品导向管5的上部设有卡套，方便卡入高压连接管6的顶部使其固定，样品导向管5的底端呈收紧窄口结构。

样品推杆3的上端是一个容易磁化的软铁柱，下端是用耐高温金属加工的细杆。高压钢管2的顶端置入一环形磁铁1内，环形磁铁1上下移动通过磁力耦合带动样品推杆3上下移动，来完成固态样品7的推入(到固体衬底上)。

密封锤14的一端开设有凹形缺口，另一端为锥形结构，密封锤14的轴向开设有通光孔。密封锤14中间的通光孔用于透光，外侧端的凹形缺口是为方便取出密封锤14和窗口片16设计的，密封锤14内侧端的锥形结构是为了使密封圈13在受挤压时沿着径向向外延展。

样品台25的底部一侧开设有方形凹槽29，其长度为样品台总长度的一半。这个凹槽的作用之一是使得热电偶27测温端可以进入样品台内部，温度测量更准确，第二个作用是可以使样品台25精确定位，第三个作用是通过热电偶管与样品台相互卡紧，确保样品台处于水平位置，消除接触角的测量误差。样品台25用导热性能良好的金属材料加工，它的作用是均匀地将热量传递给固体衬底及样品。电偶管锁母26的作用是固定热电偶插管，保证高压腔体的密封性并方便热电偶插入或拔出。

利用本实施例技术方案用于固态样品的测试时。当测定高温熔体与固体表面的接触角时，按照图1a方式组装原位测试池。在开始测试前，样品推杆3处于顶端位置，固态样品7位于高压腔体外侧。这时，可以在对高压腔体抽真空或通入特种气体的同时，对固体衬底24表面进行加热预处理，除去表面吸附的杂质或者利用特种气体预先对衬底表面进行改性。随后，向下移动环形磁铁1带动样品推杆3下移，将固态样品7推到加热的固体衬底24表面并熔成液滴。通过改变衬底的温度、高压腔体内的压力以及气体种类，可以测定多种特殊条件下熔体与固体衬底表面的接触角。

实施例2：

如图1b所示，一种多功能接触角原位测试池，结构如实施例1所述，其不同之处在于：本实施例是用于液体样品的测试，其中样品位置调控机构包括高压连接管6、液体滴加管28，高压连接管6贯穿保温层9、高压圆筒18、导热导流圆筒22，且高压连接管6顶端与液体滴加管28连接，液体滴加管28上设有液体开关阀门。

高压连接管6顶端通过钢管对接头4直接与液体滴加管28固定连接，液体开关阀门下方的细长管伸入高压连接管6后进入高压内腔。

利用本实施例技术方案进行液体样品的测试时。当测定液体与固体表面的接触角时，按照图1b方式组装原位测试池。在开始测试前，液柱下端的液体开关阀门关闭防止液滴进入高压腔体内。在对高压腔体抽真空或通入特种气体情况下，可以对固体衬底24表面进行加热处理，以便除去表面吸附的杂质或利用特种气体对衬底表面进行改性。随后使固体衬底24降低到室温，并缓慢开启阀门使液体滴加到固体衬底表面形成液滴。通过改变高压腔体内的压力和气体种类，可以研究特殊环境中液体与固体衬底表面的浸润性能。

实施例3：

一种多功能接触角原位测试池的工作方法，利用实施例1提供的原位测试池进行固态样品的测试，具体操作过程如下：

(1)按照图1a所示的方式组装接触角原位测试池。将固体衬底SnO₂陶瓷片放置于样品台25的中央，再把支撑圆环17、密封垫片15、窗口片16、密封锤14、密封圈13以及压紧法兰12安装到位后，拧紧拉紧螺杆11密封高压腔体。接着将样品导向管5安装到位，并在其腔内上部放置少量待测的固态样品P3HT。然后，将内置样品推杆3的高压钢管2通过卡套连接到钢管对接头4上，至此整个系统实现了高压密封。

(2)开启加热装置(加热炉丝外连的加热装置，为常规设备)对样品台25和整个高压腔体加热，再打开充排气阀门19对高压腔体抽真空。在这个过程中，吸附于SnO₂陶瓷片表面的气体和杂质被除去，获得清洁的衬底表面。随后向高压腔体中充入氮气至常压，并移动环形磁铁1驱动样品推杆3下移，将固态样品P3HT推送到衬底表面并熔化成液滴。完成上述操作后，即可进行接触角的测试。

实施例4：

一种多功能接触角原位测试池的工作方法，操作过程与实施例3相同，所不同的是测试时高压腔体内的氮气换成了氩气，且压力逐渐提高到8MPa，测试结果见表1。

表1高压氩气中P3HT熔体与SnO₂间的界面接触角

实施例5：

一种多功能接触角原位测试池的工作方法，操作过程与实施例3相同，所不同的是测试时高压腔体内的氮气压力提高到10MPa。

实施例6：

一种多功能接触角原位测试池的工作方法，操作过程与实施例3相同，所不同的是测试时高压腔体内的氮气压力提高到15MPa。

实施例7：

一种多功能接触角原位测试池的工作方法，操作过程与实施例4相同，所不同的是测试时高压腔体内氩气的压力提高到15MPa。

实施例8：

一种多功能接触角原位测试池的工作方法，操作过程与实施例4相同，所不同的是测试时高压腔体内氩气的压力提高到20MPa。

实施例9：

一种多功能接触角原位测试池的工作方法，操作过程与实施例4相同，所不同的是测试时高压腔体内氩气的压力提高到25MPa。

实施例10：

一种多功能接触角原位测试池的工作方法，操作过程同实施例3，所不同的是在将P3HT推送到衬底表面之前，在高压腔体内引入少量乙醇蒸汽对衬底表面进行修饰和改性。

实施例11：

一种多功能接触角原位测试池的工作方法，操作过程同实施例10，所不同的是乙醇蒸汽被DMF蒸汽取代。

实施例12：

一种多功能接触角原位测试池的工作方法，操作过程同实施例11，所不同的是用DMF蒸汽对衬底进行表面改性后，DMF蒸汽被彻底排出高压腔，测试时的气氛为氮气。

实施例13：

一种多功能接触角原位测试池的工作方法，操作过程同实施例10，所不同的是用乙醇蒸汽对衬底进行表面改性后，乙醇蒸汽仍留在高压腔内，并且测试时的氮气的压力提高到10MPa。

实施例14：

一种多功能接触角原位测试池的工作方法，操作过程同实施例3，所不同的是SnO₂陶瓷片换成了TiO₂陶瓷片。氮气换成了氩气，并且压力逐渐提高到8MPa，测试结果见表2。

表2高压氩气中P3HT熔体与TiO₂间的界面接触角

实施例15：

一种多功能接触角原位测试池的工作方法，操作过程同实施例3，所不同的是P3HT换成了石蜡。

实施例16：

一种多功能接触角原位测试池的工作方法，利用实施例2提供的原位测试池进行液体样品的测试，具体操作过程如下：

(1)按照图1b所示的方式安装接触角原位测试池。将装有待测液体DMF的液体滴加管28连接到钢管对接头4上，并关闭液体阀门。其他配件的安装方式与实施例3相同。

(2)首先，打开充排气阀门19对高压腔体抽真空，并将TiO₂陶瓷片加热以除去表面上吸附的气体和其他杂质。然后充入氮气至5MPa，2-3分钟后打开充排气阀门19将高压氮气放出至常压。关闭充排气阀门19并缓慢开启液体阀门，使少量液体滴加到TiO₂陶瓷片表面上，即可以测定DMF与TiO₂的接触角。

实施例17：

一种多功能接触角原位测试池的工作方法，操作过程与实施例16相同。所不同的是液体DMF换成了异丙醇，TiO₂陶瓷片换成了ITO玻璃。

实施例18：

一种多功能接触角原位测试池的工作方法，操作过程与实施例16相同。所不同的是TiO₂陶瓷片换成了SnO₂陶瓷片，液体DMF换成了二甲苯。

实施例19：

一种多功能接触角原位测试池的工作方法，操作过程与实施例16相同。所不同的是测试气氛由氮气换成了氩气与少量水蒸汽的混合气体，目的是研究不同环境湿度下的表面润湿性能。

实施例20：

一种多功能接触角原位测试池的工作方法，操作过程与实施例16相同。所不同的是测试气氛由常压氮气换成了6MPa高压氩气，以便考察压力对液-固界面润湿性能的影响。

实施例21：

一种多功能接触角原位测试池的工作方法，操作过程与实施例16相同。所不同的是TiO₂陶瓷片换成了FTO玻璃片，液体DMF换成了γ-丁内酯，测试气氛换成了10MPa氮气。

Claims (10)

1.一种多功能接触角原位测试池，其特征在于，包括高压圆筒、样品测控机构、样品位置调控机构；

高压圆筒的左右两端由内至外依次安装有支撑圆环、窗口片、密封垫片、密封锤、密封圈和压紧法兰，压紧法兰与高压圆筒固定连接；高压圆筒的外周壁设置有加热炉丝和保温层，保温层的两端通过定位法兰盘紧固且定位法兰盘与高压圆筒固定连接；

样品测控机构包括导热导流圆筒、样品台和热电偶，导热导流圆筒置于高压圆筒内腔且样品台放置在导热导流圆筒内，热电偶穿过保温层、高压圆筒、导热导流圆筒后一端与样品台接触；

样品位置调控机构包括高压连接管、样品导向管、高压钢管、样品推杆；高压连接管贯穿保温层且底端与高压圆筒固定连接，顶端与高压钢管连接，样品导向管置于高压连接管内，样品推杆置于高压钢管内且样品推杆的底端位于样品导向管内；

或样品位置调控机构包括高压连接管、液体滴加管，高压连接管贯穿保温层且底端与高压圆筒固定连接，顶端与液体滴加管连接，液体滴加管上设有液体开关阀门。

2.如权利要求1所述的多功能接触角原位测试池，其特征在于，所述高压圆筒内腔连接一充排气管，充排气管上设置有充排气阀门。

3.如权利要求1所述的多功能接触角原位测试池，其特征在于，所述高压圆筒的内腔两端呈阶梯状，支撑圆环、窗口片、密封垫片、密封锤、密封圈、压紧法兰位于两端的阶梯孔内。

4.如权利要求1所述的多功能接触角原位测试池，其特征在于，所述压紧法兰通过拉紧螺杆与高压圆筒固定连接；所述定位法兰盘通过定位销钉与高压圆筒固定连接。

5.如权利要求1所述的多功能接触角原位测试池，其特征在于，所述高压连接管通过连接管锁母与高压圆筒固定连接；所述高压连接管顶端通过钢管对接头与高压钢管固定连接。

6.如权利要求1所述的多功能接触角原位测试池，其特征在于，所述样品推杆的顶端设有一软铁柱，高压钢管置入一环形磁铁内。

7.如权利要求1所述的多功能接触角原位测试池，其特征在于，所述样品导向管的上部设有卡套，样品导向管的底端呈窄口结构。

8.如权利要求1所述的多功能接触角原位测试池，其特征在于，所述密封锤的一端设有凹形缺口，另一端为锥形结构，密封锤的轴向设有通光孔。

9.如权利要求1所述的多功能接触角原位测试池，其特征在于，所述样品台的底部一侧设有方形凹槽。

10.一种如权利要求1-9任一项所述的多功能接触角原位测试池的工作方法，包括以下步骤：

(1)将固体衬底放置于样品台的中央，再把支撑圆环、密封垫片、窗口片、密封锤、密封圈以及压紧法兰安装在高压圆筒的两端，拧紧拉紧螺杆密封高压腔体；

(2)将样品导向管安装到位，并在样品导向管腔内上部放置待测的固态样品，然后，将内置样品推杆的高压钢管通过卡套连接到钢管对接头上，完成整个系统的高压密封；

或者，将装有待测液体的液体滴加管连接到钢管对接头上，并关闭液体阀门，完成整个系统的高压密封；

(3)通过加热炉丝对样品台和整个高压腔体加热，再打开充排气阀门对高压腔体抽真空，从而获得清洁的衬底表面；随后向高压腔体中充入气体至常压，并移动环形磁铁驱动样品推杆下移，将固态样品推送到衬底表面并熔化成液滴，或打开液体开关阀门，使液体样品滴落在衬底表面。