CN111122391B - 一种快速测量液滴动态接触角的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速测量液滴动态接触角的装置及方法，装置包括相机、注液装置和样品台，样品台包括外框架和安装在外框架内并能自由转动的圆形平板，圆形平板上设有用于夹持两个待测固体样品薄片的弹簧夹，在两个待测的固体样品薄片之间形成供液体流过的通道。首先将通道旋转至水平状态，然后通过注液装置向通道内注入液体，旋转通道，拍摄液滴刚刚滑动状态时液滴与固体样品薄片界面形状，利用绘图软件测量液滴的关键接触角，之后将通道旋转竖直状态，测量液滴的动态接触角和滑动速度，然后计算接触角水动力模型的两个参数，利用参数即可快速计算任意速度下的动态接触角。本发明结构简单，测量迅速快捷，可以快速建立动态接触角计算模型。

Description

一种快速测量液滴动态接触角的装置及方法

技术领域

本发明属于流体界面领域，涉及一种液体接触角测量方法，具体涉及一种快速测量液滴动态接触角的装置及方法。

背景技术

表面湿润性是固体材料的特征属性之一，其通常是采用液滴与固体表面接触线之间的夹角(接触角)来衡量。接触角的大小对于固体表面液体的吸附、脱离、扩张等行为具有重要的影响，是工业生产中所关注的重要指标。此外，在工程活动中，尤其是地下岩土工程中接触角的大小决定了地下孔隙、裂隙渗流中毛细驱动力的大小，对地下渗流规律有着重要影响。地下渗流是工程领域所关心的核心问题，其涉及到诸多领域的安全问题，如地下水污染，地下核废料泄露、地下水循环等。因此，准确测定接触角的大小对于开展相关科研工作及指导工程建设具有重要意义。

大量细观观测表明液滴处于水平静止状态时接触角为一恒定值，其大小与固体表面特性有关，当液滴在固体表面流动时，其前进界面的接触角会随流速的增大而增大，而后退界面的接触角则会随流速的增大而减小。当液滴处于静止状态测得的接触角为静态接触角；处于运动状态测得的接触角为动态接触角。静态接触角多用于研究一些静态问题或是准静态问题，而动态接触角则多用于分析一些复杂的动态运动过程。大量对比研究表明，将静态接触角运用于分析动态问题时，理论结果将会和实际现象产生较大误差。因此，在研究动态问题时有必要准确测定液滴的动态接触角。

目前市场上所拥有的接触角测量仪器绝大多数为静态接触角测量仪，其测量方法大多采用图形分析法、称重法等；市场上也出现了诸多品牌型号的工业产品，如德国kruss液滴形状分析仪。这些产品为静态接触角的测量提供了有效的手段。然而在动态接触角的测量上，市场上已有的产品尚不能测量接触角随流速变化的动态过程。因此，在动态渗流研究方面，急需一种测试装置和方法以实现对动态接触角的测量分析。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种快速测量液滴动态接触角的装置及方法，该装置结合了图形分析技术与水动力学分析方法，通过测量液滴少数特征状态的接触角，实现了液滴动态接触角与界面流速关系的快速测量拟合功能。该设备结构简单，扩展性强，操作方便。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种快速测量液滴动态接触角的装置，包括相机、注液装置和样品台，其特征在于：所述样品台包括竖直方向设置的外框架和安装在外框架内并能在外框架所在平面内自由转动的圆形平板，所述圆形平板上设有用于夹持两个待测固体样品薄片的至少两个弹簧夹，两个所述固体样品薄片与圆形平板之间设有垫块，两个待测的固体样品薄片平行夹持，在两个待测的固体样品薄片之间形成供液体流过的通道，所述注液装置用于向通道内注入液体，所述相机的拍摄方向与圆形平板所在平面垂直。

作为改进，所述快速测量液滴动态接触角的装置还包括光源，所述光源和相机分别分布于样品台两侧，其中相机位于待测固体样品薄片一侧，所述圆形平板为透明平板。

作为改进，所述快速测量液滴动态接触角的装置还包括光学平板，所述相机、样品台和光源依次通过连接件安装在光学平板上。

作为改进，所述光学平板上设有用于安装相机、样品台和光源的阵列螺纹孔，通过选择不同的螺纹孔调节相机、样品台和光源的相对位置。

作为改进，所述注液装置包括依次相连的注射泵、注液管和毛细针管，所述毛细针管用于插入通道内注液。

作为改进，所述圆形平板和垫块均采用亚克力板制成。

作为改进，所述外框架为环形框架，环形框架内设有用于供圆形平板转动的环形轨道槽，所述环形框架上设有用于锁定圆形平板位置的顶紧螺栓。

一种利用上述装置进行液滴动态接触角测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、安装调整好相机、样品台及光源的相对位置，调节好相机的焦距、曝光强度；

步骤2、旋转样品台的圆形平板，将两个待测的固体样品薄片组成的通道旋转至水平状态，而后通过注液装置向通道内注入液体，使通道内形成跨越上下边界的液滴界面；

步骤3、旋转圆形平板，调整通道的倾斜角度，直到相机观测液滴由静止状态转变为滑动状态，拍摄滑动状态时液滴和两个固体样品薄片界面形状；

步骤4、采用绘图软件测量出液滴底部界面前进接触角θ_a和顶部界面的后退接触角θ_r，即完成液滴动态接触角测量。

一种利用上述装置进行快速测量液滴动态接触角的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、安装调整好相机、样品台及光源的相对位置，调节好相机的焦距、曝光强度；

步骤2、旋转样品台的圆形平板，将两个待测的固体样品薄片组成的通道旋转至水平状态，而后通过注液装置向通道内注入液体，使通道内形成跨越上下边界的液滴界面；

步骤3、旋转圆形平板，调整通道的倾斜角度，直到相机观测液滴由静止状态转变为滑动状态，拍摄此时液滴和两个固体样品薄片界面形状并采用绘图软件测量出液滴底部界面前进接触角

和顶部界面的后退接触角

此时液滴由静止转为运动时测得的接触角称为关键接触角；

步骤4、将通道旋转为完全竖直状态，此时液滴在通道内滑动，间隔时间Δt拍摄2张液滴照片，量取液滴滑移状态下的前进接触角θ_a和后退接触角θ_r，滑移距离s，并采用公式u＝s/Δt计算出此时液滴界面的滑动流速，将液滴滑动状态的接触角称为动态接触角；

步骤5、利用测量得出的关键接触角和一组动态接触角求解接触角水动力模型中的待定参数ξ₁和ξ₂，接触角水动力模型公式如下：

上式中，μ为液体粘滞系数，σ为液体表面张力，均为与液体有关的定值，通过实验测量确定；

步骤6、计算得出待定参数ξ₁和ξ₂后，测定任意一个界面流速即可快速计算出对应状态的前进接触角θ_a和后退接触角θ_r。

作为改进，所述步骤5中计算待定参数ξ₁和ξ₂过程中，按照步骤4方法测量多组动态接触角取平均值来计算。

采用上述结构和方法，本发明能带来以下技术效果：

本发明通过相机、样品台、光源的组合实现了液滴形态的记录，通过图片与绘图软件的结合实现了接触角的测量。通过注射泵可精密控制进入样品中的液滴体积。在样品台中，通过安装可旋转的圆形平板实现了液滴受力状态，运动状态的可控性。通过有限数据点的测量结果与理论公式结合，实现了动态接触角的快速计算。通过注射泵与样品台的联动控制可实现动态接触角计算结果的验证。

本发明提出了一种动态接触角快速测量的装置及方法，在装置上，结构简单，易于推广使用。在方法上，通过少数测量数据结合理论分析，以最快的时间和最少的人力成本实现了动态接触角的精确测量，该装置和方法适用于与表面湿润特性有关的研究工作，尤其适用于动态湿润特性的研究，如地下渗流研究。

附图说明

图1为本发明装置平面布置图；

图2为样品台正视图；

图3为样品台剖面图；

图4为待测液滴接触角示意图；

附图标记：1-控制主机，2-相机，3-样品台，4-光源，5-光学平板，6-注射泵，7-注液管，8-连接杆，9-金属毛细针管，10-圆形平板，11-顶紧螺栓，12-弹簧夹，13-固体样品薄片，14-垫块，15-通道，16-液滴，17-前进接触角，18-后退接触角，19-环形框架，20-辅助线。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明所要解决的技术问题是提供结构简单、成本低廉、实用性和扩展性强的接触角测量装置，能够快速测量出液滴16的动态接触角。

本发明提供的一种快速测量液滴动态接触角的装置，装置包括控制主机1、相机2、样品台3、光源4、光学平板5和注射泵6。所述样品台3底部通过连接杆8固定于光学平板5上，顶部通过注液管与注射泵6相连；样品台3前方放置相机2，相机2底部通过连接杆8固定于光学平板5上，相机2采集图片通过数据线连接至控制主机1上；样品台3后端放置光源4，为图像拍摄提供合适光强。

相机2和样品台3的连接杆8通过外螺纹连接在光学平台上，光源4通过角接件和螺丝固定于光学平板5上。光学平板5布满标准M6螺纹孔，可调节各部件相对距离。通过选用不同长度或是变长度连接杆8，调节使相机2中心和圆形平板10中心位于同一高度。相机2配备Nikon40mm f/2.8G微距镜头。

所述样品台3包括竖直方向设置的外框架和安装在外框架内并能在外框架所在平面内自由转动的圆形平板10，所述圆形平板10上设有用于夹持两个待测固体样品薄片13的四个弹簧夹12，两个所述固体样品薄片13与圆形平板10之间设有垫块14，两个待测的固体样品薄片13平行夹持，在两个待测的固体样品薄片13之间形成供液体流过的通道15，所述注液装置用于向通道15内注入液体，所述相机2的拍摄方向与圆形平板10所在平面垂直。

样品台3的外边框为环形框架19，本实施例中为圆形金属框，圆形金属框内卡有一块透明的圆形平板10，圆形平板10上部粘接有两块方长型的垫块14，垫块14上部放置待测的固体样品薄片13，固体样品薄片13通过弹簧夹12夹紧与透明平板连接为整体；圆形平板10可在圆形金属框所在平面内任意转动以调节液滴16所受重力方向。圆形平板10可通过边框外部的顶紧螺栓11进行锁死固定，圆形平板10与环形框架19的连接方式不限，满足能够转动即可，具体的可以为在环形框架19开设环形槽，将圆形平板10卡在环形槽内即可，或者通过轴承相连都可以。通过上述方式，圆形平板10内固定有两块平行放置的固体样品薄片13，固体样品薄片13与固体样品薄片13间形成通道15，通道15的一端设置有注液用的金属毛细针管9，金属毛细针管9通过注液管7与注射泵6相连。注液管7采用抗变形抗腐蚀的聚四氟乙烯管，注射泵6采用高精度Harvard泵。

本实施例中相机2采用德国AVT-manta系列相机，光源4为普通工业光源，本实施例可以采用平板光源，本发明提供一种实施例中，样品台3为定制加工件，其转动及锁死功能与大恒光电产品中GCM-09系列偏振片/波片架类似。样品台3的圆形金属框内放置的圆形平板10采用透明亚克力板制成，直径为8cm。垫块14采用为宽1.5cm长3cm厚0.5cm的亚克力板。待测的固体样品薄片13尺寸为长4cm宽2cm厚3mm。固体样品薄片13与固体样品薄片13之间的通道15的宽度根据试验需求设置，一般为0.3-1mm左右，通道15的宽度可通过夹紧标准间隙片进行调节。

采用上述结构和模具时，模拟交叉裂隙渗流的可视化试验过程中，快速测量液滴动态接触角方法如下：

一、试验前准备工作如下：

步骤1、为使拍摄液滴16照片细节清晰，待测液体在使用前需进行染色。水性液体采用水溶性染色剂胭脂红，油性液体采用油溶红色染料染色，染色剂与待测液体配比均为0.1g/L；

步骤2、注射泵6校准，采用天平称重的方法校核注射泵6注射体积精度，并对相关参数进行调整；

步骤3、将待测的固体样品薄片13以环形框架19圆心为中心对称固定在垫块14上，以形成通道15，通道15宽度通过夹紧标准厚度的间隙片控制；

步骤4、将金属毛细针管9插入并固定在通道15顶端并与注射泵6连接；

步骤5、安装固定好相机2、样品台3、光源4相对位置，调节曝光时间，拍摄速度等参数。

二、试验过程中具体操作如下：

步骤1、旋转圆形平板10，将通道15转至水平，往通道15内注入一定体积的液体；

步骤2、移除金属毛细针管9，逆时针旋转圆形平板10，直到相机2观测液滴16由静止状态转变为缓慢滑动状态，拍摄此时液滴16界面形状并采用绘图软件(如CAD)测量出液滴16底部界面前进接触角17

和顶部界面的后退接触角18

此时液滴16由静止转为运动时测得的接触角称为关键接触角；

步骤3、继续旋转圆形平板10，将通道15旋转为完全垂直状态，此时液滴16在通道15内滑动，间隔时间Δt拍摄2张液滴16的照片，测量液滴16滑移状态下的前进接触角17(θ_a)和后退接触角18(θ_r)，滑移距离s，并采用公式u＝s/Δt计算出此时液滴界面的滑动速度，将液滴滑动状态的接触角称为动态接触角。

步骤4、利用测量得出的关键接触角

和一组动态接触角(θ_a，θ_r，u)求解接触角水动力模型中的待定参数ξ₁和ξ₂，具体公式如下：

上式中，μ为液体粘滞系数，σ为液体表面张力，均为与液体有关的定值。

步骤5、计算得出待定参数ξ₁和ξ₂后，假定任意一个界面流速(u)即可快速计算出对应状态的前进接触角17(θ_a)和后退接触角18(θ_r)。

步骤6、试验完成之后，将圆形平板10及其固定的固体样品薄片13整体拆下，清洗并烘干，完成试验。

测量多组动态接触角取平均值来计算参数ξ₁和ξ₂，增加计算的准确度。

需要指出的是本发明实施例中光学平板5并非本发明技术方案实施的必备部件，本实施例通过光学平板5增强的是相机2、样品台3和光源4之间调节的便利性。

需要指出的是，控制主机1是处理和查看相机2图片的公知设备，也并非本发明技术方案实施的必备部件。

需要指出的是，以上实施例仅为本发明最优技术方案举例说明，并非对本发明技术方案的限定，比如光源和圆形平板是否透明，当试验所处环境光线较好的时候，就不需要光源4，因此圆形平板10也无需透明，当然增加光源4和圆形平板10透明可以大大提高本发明技术方案的环境适应能力，即使在夜晚也可以进行试验，极大提高了便捷性。

需要指出的是本发明实施例中采用的弹簧夹12采用现有技术中已知的弹簧夹12，当然可以采用比如附图3中所示的L型弹簧片，只要能将固体样品薄片13夹紧在圆形平板10上即可。

需要指出的是，本发明利用绘图软件获取接触角的方法如下：如图4所示，在液滴16边缘和固体样品薄片13绘制辅助线20，然后绘图软件中的测角工具测量角度，当然手动利用量角仪也可以，只是利用类似于CAD绘图软件效率高一点。

上述虽然结合附图对本发明的具体方案进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种液滴动态接触角的测量方法，该测量方法采用的装置包括相机、光源、光学平板、注液装置和样品台，其特征在于：所述样品台包括竖直方向设置的外框架和安装在外框架内并能在外框架所在平面内自由转动的圆形平板，所述圆形平板上设有用于夹持两个待测固体样品薄片的至少两个弹簧夹，两个所述固体样品薄片与圆形平板之间设有垫块，两个待测的固体样品薄片平行夹持，在两个待测的固体样品薄片之间形成供液体流过的通道，所述注液装置用于向通道内注入液体，所述相机的拍摄方向与圆形平板所在平面垂直；

所述光源和相机分别分布于样品台两侧，其中相机位于待测固体样品薄片一侧，所述圆形平板为透明平板；

所述相机、样品台和光源依次通过连接件安装在光学平板上；

该测量方法具体包括以下步骤：

步骤1、安装调整好相机、样品台及光源的相对位置，调节好相机的焦距、曝光强度；

步骤2、旋转样品台的圆形平板，将两个待测的固体样品薄片组成的通道旋转至水平状态，而后通过注液装置向通道内注入液体，使通道内形成跨越上下边界的液滴界面；

步骤3、旋转圆形平板，调整通道的倾斜角度，直到相机观测液滴由静止状态转变为滑动状态，拍摄滑动状态时液滴和两个固体样品薄片界面形状；

步骤4、采用绘图软件测量出液滴底部界面前进接触角θ_a和顶部界面的后退接触角θ_r，即完成液滴动态接触角测量。

2.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于：所述光学平板上设有用于安装相机、样品台和光源的阵列螺纹孔，通过选择不同的螺纹孔调节相机、样品台和光源的相对位置。

3.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于：所述注液装置包括依次相连的注射泵、注液管和毛细针管，所述毛细针管用于插入通道内注液。

4.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于：所述圆形平板和垫块均采用亚克力板制成。

5.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于：所述外框架为环形框架，环形框架内设有用于供圆形平板转动的环形轨道槽，所述环形框架上设有用于锁定圆形平板位置的顶紧螺栓。

6.一种快速测量液滴动态接触角的方法，该方法采用的装置包括相机、光源、光学平板、注液装置和样品台，其特征在于：所述样品台包括竖直方向设置的外框架和安装在外框架内并能在外框架所在平面内自由转动的圆形平板，所述圆形平板上设有用于夹持两个待测固体样品薄片的至少两个弹簧夹，两个所述固体样品薄片与圆形平板之间设有垫块，两个待测的固体样品薄片平行夹持，在两个待测的固体样品薄片之间形成供液体流过的通道，所述注液装置用于向通道内注入液体，所述相机的拍摄方向与圆形平板所在平面垂直；

所述光源和相机分别分布于样品台两侧，其中相机位于待测固体样品薄片一侧，所述圆形平板为透明平板；

所述相机、样品台和光源依次通过连接件安装在光学平板上；

该测量方法具体包括以下步骤：

步骤1、安装调整好相机、样品台及光源的相对位置，调节好相机的焦距、曝光强度；

步骤2、旋转样品台的圆形平板，将两个待测的固体样品薄片组成的通道旋转至水平状态，而后通过注液装置向通道内注入液体，使通道内形成跨越上下边界的液滴界面；

步骤3、旋转圆形平板，调整通道的倾斜角度，直到相机观测液滴由静止状态转变为滑动状态，拍摄此时液滴和两个固体样品薄片界面形状并采用绘图软件测量出液滴底部界面前进接触角

和顶部界面的后退接触角

此时液滴由静止转为运动时测得的接触角称为关键接触角；

步骤4、将通道旋转为完全竖直状态，此时液滴在通道内滑动，间隔时间Δt拍摄2张液滴照片，量取液滴滑移状态下的前进接触角θ_a和后退接触角θ_r，滑移距离s，并采用公式u＝s/Δt计算出此时液滴界面的滑动流速，将液滴滑动状态的接触角称为动态接触角；

步骤5、利用测量得出的关键接触角和一组动态接触角求解接触角水动力模型中的待定参数ξ₁和ξ₂，接触角水动力模型公式如下：

上式中，μ为液体粘滞系数，σ为液体表面张力，均为与液体有关的定值，通过实验测量确定；

步骤6、计算得出待定参数ξ₁和ξ₂后，测定任意一个界面流速即可快速计算出对应状态的前进接触角θ_a和后退接触角θ_r。

7.如权利要求6所述快速测量液滴动态接触角的方法，其特征在于：所述步骤5中计算待定参数ξ₁和ξ₂过程中，按照步骤4方法测量多组动态接触角取平均值来计算。

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