CN109839331A - 一种界面张力和接触角一体式测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种界面张力和接触角一体式测量装置及方法，包括主支架、副支架、固定夹具、滑动夹具、量尺、滑轨、水槽、升降机构、图像采集系统；所述固定夹具和滑动夹具分别铅直夹持固体样片，并将固体样片浸入拟测量液体。利用毛细效应以及升降水槽，测量液体界面张力、静态接触角、前进角和后退角。本发明结构简单，设计合理，能够快速实现不同液‑固组合条件下界面张力和接触角的一体化精确测量。

Description

一种界面张力和接触角一体式测量装置及方法

技术领域

本发明属于物质属性测量领域，具体涉及一种界面张力和接触角一体式测量装置及方法。

背景技术

液体在固体表面运动的流体动力学现象广泛存在于生产和生活当中，比如强化传热、湿法制粒等。液体对固体的界面张力和接触角是液体运动特性的重要影响因素，其中接触角又分为前进角、后退角和静态接触角。不同液体和不同固体表面配对方式不同，其界面张力和接触角就会发生变化，因此液-固组合方式下界面张力和接触角的测量显得尤为重要。

目前大多数测量手段都是对液-固体系中的界面张力和接触角分别进行测量。比如测量表面张力常用到毛细上升法、最大气泡压力法和滴重法等，以毛细上升法为例，常用毛细管进行测量，由于透镜原理，测量所得的接触夹角数值有偏差，影响最终测量精度；测量接触角常用到躺滴法、悬泡法和竖板毛细升高法等，此类方法以测量静态接触角为主，难以测量前进角和后退角。另外液体界面张力和接触角分开测量一般需要两套测量设备，且测量比较繁琐。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题提供一种界面张力和接触角一体式测量装置及方法,该装置和方法利用一套系统同时实现对液体界面张力和接触角的精确测量，不但可以测量静态接触角，还可以测量前进角、后退角。

本发明的技术方案是：一种界面张力和接触角一体式测量装置，包括主支架、副支架、固定夹具、滑动夹具、量具、水槽、升降机构和图像采集系统；

所述副支架的一端与主支架连接，所述固定夹具和滑动夹具安装在副支架上用于夹持固体样片；所述量具用于测量固体样片之间的间距；；所述水槽安装在升降机构上；

所述图像采集系统用于采集水槽中固体样片之间形成的液柱图像。

上述方案中，还包括滑轨和；

所述副支架的另一端设有滑轨；

所述滑动夹具安装在滑轨上，滑动夹具可在滑轨上水平滑动。

上述方案中，所述量具安装在滑轨上。

上述方案中，还包括基座；

所述主支架的一端安装在基座上；所述升降台的下端安装在基座上；所述电机安装在基座上。

上述方案中，所述升降机构包括升降台和电机；所述水槽安装在升降台台面上，所述电机的输出轴与升降台连接。

上述方案中，所述升降台为丝杆升降台。

上述方案中，固定夹具和滑动夹具均为两根夹条，两根夹条采用螺丝拧紧。

上述方案中，所述水槽侧面为透明材质。

一种界面张力和接触角一体式测量装置的测量方法，包括以下步骤；

固体样片的安装：所述固定夹具和滑动夹具分别夹持待测量的固体样片的一端，固体样片的另一端浸入水槽中拟测量液体；

静态图像的采集：图像采集系统采集水槽中两个固体样片之间形成的液柱图像；

动态图像的采集：通过所述升降机构调整水槽高度，固体样片的液柱随之升降，通过图像采集系统采集液柱升降过程中的图像；

数据的处理：通过图像采集系统采集的图像，得到液柱的弯液面与固体样片之间的接触夹角θ；通过量具读取固体样片之间的间距l；计算得到液柱的弯液面最低点到水槽液面的高度h，经过计算最终得到张力、静态接触角、前进角、后退角。

一种界面张力和接触角一体式测量装置的测量方法，还包括以下步骤；

所述固体样片之间距离的调节：所述副支架设有滑轨；所述滑动夹具安装在滑轨上，调整滑动夹具在滑轨上的位置，从而调节固体样片之间的间距l和液柱的弯液面最低点到水槽液面的高度h。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.现有绝大多测量技术需要两套测量设备才能实现对液体界面张力和接触角的测量，并且测量过程繁琐，本发明基于毛细效应，采用双固体样片设计，利用一套系统同时实现对液体界面张力和接触角的测量。

2.本发明中固定夹具和滑动夹具分别铅直夹持固定拟测量的固体样片，由于毛细效应，在两个固体样片之间，形成液柱的弯液面，并且液柱的弯液面与固体样片拟测量表面形成接触夹角，图像采集系统采集静态图像，以此来测量接触角。

3.除静态接触角之外，通过电机控制升降台上下匀速调整高度，升降台在升或降的过程中，图像采集系统采集动态图像，实现对前进角和后退角的测量，操作过程简单方便。采用多次测量结果，测量结果具有较高的精确性。

附图说明

图1为本发明一实施方式的结构示意图。

其中，1、基座；2、主支架；3、副支架；4、固定夹具；5、滑动夹具；6、量具；7、滑轨；8、固体样片；9、拍摄区域；10、拟测量液体；11、水槽；12、升降台；13、电机；14、图像采集系统。

图2为液体对固体表面接触角测量方式。

其中，θ为液柱的弯液面与固体样片拟测量表面的接触夹角。

具体实施方式

为了对发明的技术特征、目的和效果有更清楚的了解，现对照附图说明本发明的具体实施方式，在各图中相同的标号表示相同或相似的部分。附图仅用于说明本发明，不代表本发明的实际结构和真实比例。

实施例1

图1为本发明所述界面张力及接触角一体式测量装置的一种实施方式，所述界面张力及接触角一体式测量装置包括基座1、主支架2、副支架3、固定夹具4、滑动夹具5、量具6、滑轨7、水槽11、升降台12、电机13、图像采集系统14。

所述主支架2的一端固定安装在基座1上；所述升降台12的下端安装在基座1上；所述电机13安装在基座1上；所述副支架3的一端与主支架2安装连接，所述副支架3的另一端与滑轨7安装连接；所述固定夹具4安装在副支架3上；所述滑动夹具5安装在滑轨7上，可在滑轨7上水平滑动；所述量具6固定在滑轨7上，零刻度位置与固定夹具4靠近滑动夹具5一侧外缘对齐。所述水槽11安装在升降台12台面上，用于盛装拟测量液体10，水槽11的拟测量液体10达到一定的液位；所述水槽11为透明材质，便于装置调整位置以及便于图像采集系统14拍摄图像；所述固定夹具4和滑动夹具5均为两根夹条组成，使用螺丝拧紧装置夹紧，分别铅直夹持拟测量的固体样片8。所述图像采集系统14用于采集水槽11中固体样片8之间形成的液柱图像，用于采集图像，最终得到数据。

优选的，所述固定夹具4与滑动夹具5相接近的两根夹条厚度不超过1mm。

所述升降台12与电机13相连，所述升降台12通过电机13控制上下匀速调整高度。所述固体样片8有两个，尺寸一致，为条状矩形，面积最大面中的一面作为拟测量表面；在固定夹具4与滑动夹具5分别铅直夹持固体样片8之后，通过电机13调整升降台12高度，以此来调节固体样片的浸入深度，以及实现液柱的弯液面的升降。通过滑动夹具5在滑轨7上水平滑动，以此调整两个固体样片8间距，使固体样片8间液柱高度适当，便于图像采集系统14拍摄。

实施例2

一种根据实施例1所述界面张力及接触角的一体式测量装置的测量方法，包括以下步骤：

固体样片8的安装：所述固定夹具4和滑动夹具5分别铅直夹持待测量的固体样片8的一端，固体样片8的另一端浸入水槽11中拟测量液体10；

静态图像的采集：图像采集系统14采集水槽11中两个固体样片8之间形成的液柱图像；

动态图像的采集：通过所述升降机构调整水槽11高度，固体样片8之间的液柱随之升降，通过图像采集系统14采集多组液柱升降过程中的图像；

数据的处理：通过图像采集系统14采集的图像，得到液柱的弯液面与固体样片8之间的接触夹角θ；通过量具6读取固体样片8之间的间距l；通过所采集的图像上固体样片8之间的间距l与液柱的弯液面最低点到水槽11液面的高度h的尺寸比，计算得到液柱的弯液面最低点到水槽11液面的高度h，经过计算得到张力、静态接触角、前进角、后退角；其中，测量多组液柱上升过程图像中液柱的弯液面与固体样片8形成的接触夹角θ的平均值为液体前进角；测量多组液柱下降过程图像中液柱的弯液面与固体样片8形成的接触夹角θ的平均值为液体后退角。

所述界面张力及接触角的一体式测量装置的测量方法，还包括以下步骤：

所述固体样片8之间距离的调节：所述副支架3设有滑轨7；所述滑动夹具5安装在滑轨7上，固体样片8安装滑动夹具5上，调整滑动夹具5在滑轨7上的位置，调节固体样片8之间的间距l、液柱的弯液面最低点到水槽11液面的高度h。

在本实施例中所述界面张力及接触角的一体式测量装置的测量方法，具体的，包括以下步骤：

S1、制备拟测量固体样片8两个，尺寸一致，为条状矩形，面积最大面中的一面为拟测量表面；样片尺寸适中，长、宽、高均不超过50mm；

S2、将两个固体样片8拟测量表面朝内迎面分别固定在固定夹具4和滑动夹具5上，保持铅直平行；将拟测量液体10注入水槽11中；

S3、打开图像采集系统14，打开电机13，调整水槽11高度，使固体样片8浸入液体10约2-5mm；通过滑动夹具5调整固体样片8间距，利用毛细效应使样片间液柱高度处于便于拍摄的适当高度；调整拍摄装置使固体样片与拍摄角度垂直，画面中心约为液柱的弯液面最低处，记录图像；通过滑轨7上的量具6读取记录固体样片8间距l；通过所采集的图像上固体样片8之间的间距l与液柱的弯液面最低点到水槽11液面的高度h的尺寸比，计算得到液柱的弯液面最低点到水槽11液面的高度h；

S4、利用电机13控制水槽11匀速上升至适当位置，在此过程中利用图像采集系统14记录5次液柱上升图像；

S5、利用电机13控制水槽11匀速下降至适当位置，在此过程中利用图像采集系统14记录5次液柱下降图像；

S6、测量步骤S3记录图像中液柱的弯液面与固体样片8拟测量面的接触夹角θ，如图2，测量的两个接触角θ的算数平均值为液体静态接触角；测量步骤S3记录图像中液柱的弯液面底部到水槽11液面高度h，通过公式一计算获得液体界面张力；

其中，为σ为液体界面张力，θs为静态接触角，ρ为液体密度，g为重力加速度，h为液柱的弯液面底部到水槽液面高度，l为固体样片间距；测量步骤S4记录图像中液柱的弯液面与固体样片8拟测量面的接触夹角，每次测量两个接触夹角，测量5次，共计10组测量数据的算数平均值为为液体前进角；测量步骤S5记录图像中液柱的弯液面与固体样片8拟测量面的接触夹角，每次测量两个接触夹角，测量5次，共计10组测量数据的算数平均值为液体后退角。

由于液体前进角和后退角为动态接触角，测量过程容易出现较大误差，本发明采用步骤S4到S6涉及的方法对液体前进角和后退角进行多次测量并取算数平均值为最终测量结果，具有较高的精确性。

应当理解，虽然本发明按照各个实施例描述，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅为清楚起见，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。

上文所列出的一系列详细说明仅是针对本发明可行性实施例的具体说明，并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种界面张力和接触角一体式测量装置，其特征在于，包括主支架(2)、副支架(3)、固定夹具(4)、滑动夹具(5)、量具(6)、水槽(11)、升降机构和图像采集系统(14)；

所述副支架(3)的一端与主支架(2)连接，所述固定夹具(4)和滑动夹具(5)安装在副支架(3)上用于夹持固体样片(8)；所述量具(6)用于测量固体样片(8)之间的间距；所述水槽(11)安装在升降机构上；

所述图像采集系统(14)用于采集水槽(11)中固体样片(8)之间形成的液柱图像。

2.根据权利要求1所述的界面张力和接触角一体式测量装置，其特征在于，还包括滑轨(7)；

所述副支架(3)的另一端设有滑轨(7)；

所述滑动夹具(5)安装在滑轨(7)上，滑动夹具(5)可在滑轨(7)上水平滑动。

3.根据权利要求2所述的界面张力和接触角一体式测量装置，其特征在于，所述量具(6)安装在滑轨(7)上。

4.根据权利要求1所述的界面张力和接触角一体式测量装置，其特征在于，还包括基座(1)；

所述主支架(2)的一端安装在基座(1)上；所述升降台(12)的下端安装在基座(1)上；所述电机(13)安装在基座(1)上。

5.根据权利要求1所述的界面张力和接触角一体式测量装置，其特征在于，所述升降机构包括升降台(12)和电机(13)；所述水槽(11)安装在升降台(12)台面上，所述电机(13)的输出轴与升降台(12)连接。

6.根据权利要求1所述的界面张力和接触角一体式测量装置，其特征在于，所述升降台(12)为丝杆升降台。

7.根据权利要求1所述的界面张力和接触角一体式测量装置，其特征在于，所述固定夹具(4)和滑动夹具(5)均为两根夹条，两根夹条采用螺丝拧紧。

8.根据权利要求1所述的界面张力和接触角一体式测量装置，其特征在于，所述水槽(11)为透明材质。

9.一种利用权利要求1-8任意一项所述界面张力和接触角一体式测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

固体样片(8)的安装：所述固定夹具(4)和滑动夹具(5)分别夹持待测量的固体样片(8)的一端，固体样片(8)的另一端浸入水槽(11)中拟测量液体(10)；

静态图像的采集：图像采集系统(14)采集水槽(11)中两个固体样片(8)之间形成的液柱图像；

动态图像的采集：通过所述升降机构调整水槽(11)高度，固体样片(8)的液柱随之升降，通过图像采集系统(14)采集液柱升降过程中的图像；

数据的处理：通过图像采集系统(14)采集的图像，得到液柱的弯液面与固体样片(8)之间的接触夹角θ；通过量具(6)读取固体样片(8)之间的间距l；，计算得到液柱的弯液面最低点到水槽(11)液面的高度h，经过计算得到张力、静态接触角、前进角、后退角。

10.根据权利要求9所述的界面张力和接触角一体式测量装置的测量方法，其特征在于，还包括以下步骤：

所述固体样片(8)之间距离的调节：所述副支架(3)设有滑轨(7)；所述滑动夹具(5)安装在滑轨(7)上，调整滑动夹具(5)在滑轨(7)上的位置，从而调节固体样片(8)之间的间距l和液柱的弯液面最低点到水槽(11)液面的高度h。