CN112710588B - 一种毛细管内表面静态接触角计算与测试方法及测试系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于毛细管内表面静态接触角计算与测试方法及测试系统。相较于现有的磁共振成象法，表面张力测量法以及测高法及其测试系统，以分析天平作为接触角计算的主要设备，测量得到毛细管内液体的质量(Δm)后即可通过公式计算得到毛细管内表面静态接触角。具有精度高、易于操作、适用性广以及成本低廉等特点，可广泛地应用于毛细管浸润性表征领域。

Description

一种毛细管内表面静态接触角计算与测试方法及测试系统
技术领域
本发明涉及材料表面浸润性表征领域，具体是公开了一种毛细管内表面静态接触角(0°≤θ≤180°)计算与测试方法及测试系统。
背景技术
材料表面的浸润性在许多化学、物理和生物过程中都起着至关重要的作用。具有超浸润表面的管道更是在流体减阻和强化传热等方面有着重要的应用。静态接触角作为衡量材料表面浸润性的一个重要指标，应当被准确的表征。但是，针对毛细管尤其是不透明金属毛细管内表面的静态接触角的测量和计算，仍然是一个巨大的挑战。
目前，传统的测量和计算毛细管内表面静态接触角的方法和测试系统包括：(1)针对透明毛细管的量高法和量角法，该方法仅限于透明度高的材质，例如玻璃管、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)管、聚氨酯(PU)管、聚氯乙烯(PVC)管等；(2)针对不透明且非金属毛细管的磁共振成像法，该方法仅限于薄壁、非金属管，例如聚四氟乙烯(PTFE)管等；(3)针对亲液不透明毛细管的表面张力法，该方法仅限于内表面具有亲液性的毛细管，例如玻璃管、金属管、聚氯乙烯(PVC)、聚氨酯(PU)管等。因此，目前尚无一种不受基体材质、透明度、厚度、浸润性等限制的，具有普适性的毛细管内表面静态接触角计算与测试方法及测试系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种毛细管内表面静态接触角测试与计算方法。本方法根据通过三角函数关系推导出毛细管内表面(亲液和疏液)静态接触角θ与毛细管内液体的质量Δm之间的式(1)：
其中，ρ为待测液体的密度，D0为毛细管的内径，h0为毛细管插入液体液面下的深度，γ为液体的表面张力，g为重力加速度，Δm为毛细管内液体的质量，θ为毛细管内表面液体接触角。
上述式(1)中，约等于cosθ，对式(1)近似可得式(2)：
由式上述式(2)可得式(3)：
测量时，包括以下步骤:
1〕将待测试的毛细管放置于用于测定重量的量具，测得毛细管的质量为m0。
2〕将待测试的毛细管垂直插入盛有待测液体的容器中，使其下端管口与待测液体接触后(刚好接触，可认为下端管口插入液面下的深度为h0＝0)，将上端管口用橡胶塞封口。
3〕让待测试的毛细管保持静置后，提出容器并移除橡胶塞，擦去所沾待测液体。
4〕将待测试的毛细管放置于用于测定重量的量具，测得毛细管的质量为m1，计算Δm＝m1-m0。
若Δm＞0(大于1mg，可认为大于0)时，即毛细管内表面为亲液状态，则进入步骤5〕以计算出待测毛细管内表面静态接触角。
若Δm≈0(小于1mg，可认为约等于0)时，即毛细管内表面为疏液状态，则进入步骤6〕～9〕步以计算出待测毛细管内表面静态接触角。
5〕计算毛细管内表面静态接触角
其中：ρ为待测液体的密度，D0为待测试的毛细管的内径，h0取值为0，γ为液体的表面张力，g为重力加速度
其中：ρ为待测液体的密度，D0为待测试的毛细管的内径，h0取值为0，γ为液体的表面张力，g为重力加速度。
6〕将待测试的毛细管垂直插入盛有待测液体的容器中，使其下端管口插入液面下的深度为h0，h0＞0，将上端管口用橡胶塞封口。进一步，可以根据毛细管内径D0设定相应的插入深度h0，建议插入深度参见下表。
7〕让待测试的毛细管保持静置后，提出容器并移除橡胶塞，擦去所沾待测液体。
8〕将待测试的毛细管放置于用于测定重量的量具，测得毛细管的质量为m2，计算Δm＝m2-m0。
9〕计算毛细管内表面静态接触角
其中：ρ为待测液体的密度，D0为待测试的毛细管的内径，h0为待测试的毛细管下端管口插入液面下的深度，γ为液体的表面张力，g为重力加速度。
其中：ρ为待测液体的密度，D0为待测试的毛细管的内径，h0为待测试的毛细管下端管口插入液面下的深度，γ为液体的表面张力，g为重力加速度。
进一步，待测试的毛细管的材质为金属、合金、塑料、玻璃或陶瓷。毛细管的内表面浸润性包括亲液和疏液，毛细管的透明度可以是透明或不透明，毛细管的内径可以为0.3～3.0mm
进一步，步骤3〕和步骤7〕中，保持静置的时间为20～60s。
进一步，步骤3〕中，用无尘纸擦去待测试的毛细管下端面所沾待测液体。
进一步，步骤7〕中，用无尘纸擦去待测试的毛细管下端面和侧面外表所沾待测液体。
进一步，用于测定重量的量具是精度≤0.1mg的分析天平。
上述方法可以人工操作，也可以采用一种毛细管内表面静态接触角计算与测试系统，其特征在于：主要包括平台、提取装置、天平和计算机。所述提取装置和天平放置于平台。实验时，所述提取装置夹持待测试的毛细管，并将其置入盛有待测液体的容器中。待静置完成后，通过提取装置将待测试的毛细管转移至天平进行称量。所述天平将称量数据传递至计算机进行记录和计算。
进一步，所述提取装置包括支撑杆部分和水平移动支杆部分。支撑杆固定于下方的底座上。所述支撑杆的侧面设置有刻度尺。夹持待测试的毛细管的夹具安装在水平移动支杆上。所述盛有待测液体的容器位于支架的一侧。所述刻度尺用于测量待测液体的液面高度和水平移动支杆下降的高度，从而控制待测试的毛细管插入待测液体的深度。
进一步，所述支撑杆外表面有滑轨，支撑杆内有动力装置，动力装置驱动滑轨上的滑块垂直上下运动，所述水平移动支杆连接在滑块上。
进一步，所述天平平台上放有开口瓶，所述待测试的毛细管被放入开口瓶中称量。
与现有技术相比，本发明具有以下显著优点及有益效果：
本发明推导出了计算不同润湿性毛细管内表面液体接触角的一般方程并提供了测试系统。该方法以分析天平作为接触角计算的主要设备，测量得到毛细管内液体的质量(Δm)后即可通过式(3)计算得到毛细管内表面静态接触角，具有普适性强、精准度高、测试成本低、简单、方便、快捷等优点。
附图说明
图1是具有亲液和疏液内表面毛细管的毛细现象示意图。
图2是与cosθ的数值对比图。
图3是通过量高法和式(3)计算的亲水和疏水石英玻璃管内表面接触角数值对比图。
图4是针对内表面浸润性未知的不透明毛细管内表面静态接触角测量流程示意图。
图5是毛细管内表面静态接触角系统结构示意图。
图中，10、平台；20、液体提取装置，21、垂直移动滑块，22、刻度尺，23、底座，24、水平移动支杆，25、封口胶塞，26、紧固夹，27、待测毛细管，28、擦拭纸套圈，29、储液槽；30、天平，31、开口瓶，32、数据传输线；40、计算机。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
一种毛细管内表面静态接触角测试与计算方法，其特征在于，包括以下步骤:
1〕将待测试的毛细管为内径为3.0mm、m0为2.7801g的石英毛细管；
2〕将待测试的毛细管垂直插入盛有待测液体(去离子水)的容器中，使其下端管口与待测液体接触后，将上端管口用橡胶塞封口；
3〕让待测试的毛细管保持静置后，提出容器并移除橡胶塞，擦去所沾待测液体；
4〕将待测试的毛细管放置于用于测定重量的量具，测得毛细管的质量为m1，计算Δm＝m1-m0＝48.7mg；则说明毛细管内表面浸润性为亲水状态；
5〕计算毛细管内表面静态接触角：
其中：ρ为待测液体的密度，D0为待测试的毛细管的内径，h0取值为0，γ为液体的表面张力，g为重力加速度。
实施例2：
与实施例1不同之处在于：
1、被测石英毛细管的内径为2.5mm、m0为2.4594g。
2、步骤(4)中，计算出Δm＝40.2mg，步骤(5)中，计算出毛细管内表面接触角θ＝48.42°，见图3。
实施例3：
与实施例1不同之处在于：
1、被测石英毛细管的内径为2.0mm、m0为2.1245g。
2、步骤(4)中，计算出Δm＝32.5mg，步骤(5)中，计算出毛细管内表面接触角θ＝47.08，见图3。
实施例4：
与实施例1不同之处在于：
1、被测石英毛细管的内径为1.5mm、m0为1.1686g。
2、步骤(4)中，计算出Δm＝24.2mg，步骤(5)中，计算出毛细管内表面接触角θ＝46.95°，见图3。
实施例5：
与实施例1不同之处在于：
1、被测石英毛细管的内径为1.0mm、m0为0.2159g。
2、步骤(4)中，计算出Δm＝15.9mg，步骤(5)中，计算出毛细管内表面接触角θ＝47.96°，见图3。
实施例6：
与实施例1不同之处在于：
1、被测石英毛细管的内径为0.5mm、m0为0.1307g。
2、步骤(4)中，计算出Δm＝8.0mg，步骤(5)中，计算出毛细管内表面接触角θ＝46.81°，见图3。
实施例7：
与实施例1不同之处在于：
1、被测石英毛细管的内径为0.4mm、m0为0.1483g。
2、步骤(4)中，计算出Δm＝6.1mg，步骤(5)中，计算出毛细管内表面接触角θ＝49.58°，见图3。
实施例8：
与实施例1不同之处在于：
1、被测石英毛细管的内径为0.3mm、m0为0.1593g。
2、步骤(4)中，计算出Δm＝4.5mg，步骤(5)中，计算出毛细管内表面接触角θ＝50.45°，见图3。
实施例9：
1〕待测试的毛细管为内径为3.0mm、m0为0.7569g的钛管，其内表面未经过处理；
2〕将待测试的毛细管垂直插入盛有待测液体(去离子水)的容器中，使其下端管口与待测液体接触后，将上端管口用橡胶塞封口；
3〕让待测试的毛细管保持静置后，提出容器并移除橡胶塞，擦去所沾待测液体；
4〕将待测试的毛细管放置于用于测定重量的量具，测得毛细管的质量为m1＝0.7574g，计算Δm＝m1-m0＝0.5mg；则说明毛细管内表面浸润性为接近疏水状态；
直接跳过步骤5〕；
6〕将待测试的毛细管垂直插入盛有待测液体的容器中，使其下端管口插入液面下的深度为h0＝20mm，将上端管口用橡胶塞封口；
7〕让待测试的毛细管保持静置后，提出容器并移除橡胶塞，擦去所沾待测液体；
8〕将待测试的毛细管放置于用于测定重量的量具，测得毛细管的质量为m2，计算Δm＝m2-m0＝142.7mg；
9〕计算毛细管内表面静态接触角
其中：ρ为待测液体的密度，D0为待测试的毛细管的内径，h0为待测试的毛细管下端管口插入液面下的深度，γ为液体的表面张力，g为重力加速度。
实施例10：
与实施例1不同之处在于：
1、被测毛细管为内径为3.0mm、质量m0为0.5835g的毛细钛管，其内表面有亲水性纳米管阵列涂层。
2、步骤(4)中，计算出Δm＝71.6mg，步骤(5)中，计算出毛细管内表面接触角θ＝14.77°。
实施例11：
本实施例公开一种可以用于实施例1～10所公开方法的毛细管内表面静态接触角计算与测试系统，其特征在于：主要包括平台10、提取装置20、天平30和计算机40。所述提取装置20和天平30放置于平台10。实验时，所述提取装置20夹持待测试的毛细管，并将其置入盛有待测液体的储液槽29(容器)中。待静置完成后，通过提取装置20将待测试的毛细管转移至天平30进行称量。所述天平30将称量数据传递至计算机40进行记录和计算。
所述提取装置20包括支撑杆部分和水平移动支杆(悬臂)部分。支撑杆固定于下方的底座上。所述支撑杆的侧面设置有刻度尺22。夹持待测试的毛细管的夹具安装在水平移动支杆24上。实施例中，所述支撑杆外表面有滑轨，支撑杆内有动力装置，动力装置驱动滑轨上的滑块垂直上下运动，所述水平移动支杆连接在滑块上。如图5所示，可以设置三个滑块，分别记为垂直移动滑块21-1、垂直移动滑块21-2和垂直移动滑块21-3，分别连接三个水平移动支杆24(分别记为水平移动支杆24-1、水平移动支杆24-2、水平移动支杆24-3)，水平移动支杆24-2用于夹持和控制夹持待测试的毛细管，水平移动支杆24-1用于夹持和控制封口胶塞25，水平移动支杆24-3用于夹持和控制擦拭纸套圈28。实验中，毛细管穿过擦拭纸套圈28，上提毛细管时，擦拭纸套圈28可以擦拭毛细管上的液体。
所述盛有待测液体的容器位于支架的一侧。所述刻度尺22用于测量待测液体的液面高度和水平移动支杆下降的高度，从而控制待测试的毛细管插入待测液体的深度。所述天平30平台上放有开口瓶31，所述待测试的毛细管被放入开口瓶31中称量。
所述计算机用于计算公式(3)，输入待测液体的密度ρ，毛细管的内径D0，毛细管插入液体液面下的深度h0，为液体的表面张力γ，重力加速度g等参数即可自动计算处毛细管内表面静态接触角
如图5所示，本实施例中，被测毛细管为内径为3.0mm，外径为3.4mm，质量m0为0.9896g的毛细钛管，其内表面有疏水性纳米管阵列涂层；采用类似于实施例9的方法。在步骤4〕中，计算Δm＝m1-m0＝0.6mg；则说明毛细管内表面浸润性为疏水状态；在步骤6〕中，管口插入液面下的深度为h0＝20mm；步骤8〕中，计算Δm＝m2-m0＝67.7mg；步骤9〕中，计算出θ＝176.69°。
实施例12
与实施例11不同之处在于：
1、被测毛细管为内径为1.0mm，外径为1.4mm，质量m0为0.2272g的毛细钛管，其内表面未经过其他处理，封口胶塞和擦拭纸套圈的尺寸与毛细管尺寸相匹配。
2、采用类似于实施例9的方法。在步骤4〕中，计算Δm＝m1-m0＝0.5mg；则说明毛细管内表面浸润性接近疏水状态；在步骤6〕中，管口插入液面下的深度为h0＝40mm；步骤8〕中，计算Δm＝m2-m0＝16.3mg；步骤9〕中，计算出θ＝88.79°。
实施例13
与实施例11不同之处在于：
1、被测毛细管为内径为1.0mm，外径为1.4mm，质量m0为0.1986g的毛细钛管，其内表面有亲水性纳米管涂层，封口胶塞和擦拭纸套圈的尺寸与毛细管尺寸相匹配。
2、采用类似于实施例1的方法。在步骤4〕中，计算Δm＝m1-m0＝22.7mg；则说明毛细管内表面浸润性为疏水状态；在步骤5〕中，计算出θ＝13.13°。
实施例14
与实施例11不同之处在于：
1、被测毛细管为内径为1.0mm，外径为1.4mm，质量m0为0.2913g的毛细钛管，其内表面有疏水性纳米管涂层，封口胶塞和擦拭纸套圈的尺寸与毛细管尺寸相匹配。
2、采用类似于实施例9的方法。在步骤4〕中，计算Δm＝m1-m0＝0.4mg；则说明毛细管内表面浸润性为疏水状态；在步骤6〕中，管口插入液面下的深度为h0＝40mm；步骤8〕中，计算Δm＝m2-m0＝7.9mg；步骤9〕中，计算出θ＝174.34°。

Claims (10)

1.一种毛细管内表面静态接触角测试与计算方法，其特征在于，包括以下步骤:
1〕将待测试的毛细管放置于用于测定重量的量具，测得毛细管的质量为m0；
2〕将待测试的毛细管垂直插入盛有待测液体的容器中，使其下端管口与待测液体接触后，将上端管口用橡胶塞封口；
3〕让待测试的毛细管保持静置后，提出容器并移除橡胶塞，擦去所沾待测液体；
4〕将待测试的毛细管放置于用于测定重量的量具，测得毛细管的质量为m1，计算Δm＝m1-m0；
若Δm＞0时，则进入步骤5〕以计算出待测毛细管内表面静态接触角；
若Δm≈0时，则进入步骤6〕～9〕步以计算出待测毛细管内表面静态接触角；
5〕计算毛细管内表面静态接触角
其中：ρ为待测液体的密度，D0为待测试的毛细管的内径，h0取值为0，γ为液体的表面张力，g为重力加速度；
6〕将待测试的毛细管垂直插入盛有待测液体的容器中，使其下端管口插入液面下的深度为h0，h0＞0，将上端管口用橡胶塞封口；
7〕让待测试的毛细管保持静置后，提出容器并移除橡胶塞，擦去所沾待测液体；
8〕将待测试的毛细管放置于用于测定重量的量具，测得毛细管的质量为m2，计算Δm＝m2-m0；
9〕计算毛细管内表面静态接触角
其中：ρ为待测液体的密度，D0为待测试的毛细管的内径，h0为待测试的毛细管下端管口插入液面下的深度，γ为液体的表面张力，g为重力加速度。
2.根据权利要求1所述的一种毛细管内表面静态接触角计算与测试方法，其特征在于：待测试的毛细管的材质为金属、塑料、玻璃或陶瓷。
3.根据权利要求1或2所述的一种毛细管内表面静态接触角计算与测试方法，其特征在于：步骤3〕和步骤7〕中，保持静置的时间为20～60s。
4.根据权利要求1所述的一种毛细管内表面静态接触角计算与测试方法，其特征在于：步骤3〕中，用无尘纸擦去待测试的毛细管下端面所沾待测液体。
5.根据权利要求3所述的一种毛细管内表面静态接触角计算与测试方法，其特征在于：步骤7〕中，用无尘纸擦去待测试的毛细管下端面和侧面外表所沾待测液体。
6.根据权利要求1所述的一种毛细管内表面静态接触角计算与测试方法，其特征在于：用于测定重量的量具是精度≤0.1mg的分析天平。
7.一种基于1～6任意一项权利要求所述方法的毛细管内表面静态接触角计算与测试系统，其特征在于：主要包括平台(10)、提取装置(20)、天平(30)和计算机(40)；所述提取装置(20)和天平(30)放置于平台(10)；实验时，所述提取装置(20)夹持待测试的毛细管，并将其置入盛有待测液体的容器中；待静置完成后，通过提取装置(20)将待测试的毛细管转移至天平(30)进行称量；所述天平(30)将称量数据传递至计算机(40)进行记录和计算。
8.根据权利要求7所述的一种毛细管内表面静态接触角计算与测试系统，其特征在于：所述提取装置(20)包括支撑杆部分和水平移动支杆部分；支撑杆固定于下方的底座上；所述支撑杆的侧面设置有刻度尺(22)；夹持待测试的毛细管的夹具安装在水平移动支杆上；所述盛有待测液体的容器位于支架的一侧；所述刻度尺(22)用于测量待测液体的液面高度和水平移动支杆下降的高度，从而控制待测试的毛细管插入待测液体的深度。
9.根据权利要求8所述的一种毛细管内表面静态接触角计算与测试系统，其特征在于：所述支撑杆外表面有滑轨，支撑杆内有动力装置，动力装置驱动滑轨上的滑块垂直上下运动，所述水平移动支杆连接在滑块上。
10.根据权利要求9所述的一种毛细管内表面静态接触角计算
与测试系统，其特征在于：所述天平(30)平台上放有开口瓶(31)，
所述待测试的毛细管被放入开口瓶(31)中称量。
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