CN115739219B - 一种仿浮萍液滴驱动器及固-液界面粘附力测定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种仿浮萍液滴驱动器及固‑液界面粘附力测定方法，上述驱动器包括液滴泵、输送管、中空形变管、转换螺口、定位器及固着器，输送管的进液口与液滴泵的出液口连通，输送管的出液口与形变管的进液口连通，中空形变管通过转换螺口与固着器连通，定位器安装于中空形变管靠近转换螺口的另一端。本发明中液滴驱动器件通过定量挤出并固着液滴，以在使用时增加液滴的可移动性，从而增大液滴与测试设备之间的联动性；同时，该液滴驱动器可以辅助测试系统检测液滴在固体表面的接触行为，从而对液滴在固体表面的相互作用及润湿性进行定量表征，进而准确区分具有不同固‑液界面润湿行为的表面，从而为微观尺度下的固‑液界面研究提供了新思路。
Description
技术领域
本发明涉及固-液界面相互作用测试技术领域，尤其涉及一种仿浮萍液滴驱动器及固-液界面粘附力测定方法。
背景技术
不同的固-液界面行为可在不同领域实现自清洁、吸附、抗结冰、抗粘附等功能。在固-液界面行为中，固-液界面摩擦力与固-液粘附力分别是液滴在固体表面切向和法向的主要作用力，研究固-液界面摩擦力与粘附力能够极大地帮助理解微纳米尺度下液体液滴与固体界面的润湿性为。因此，如何精确地测量固-液界面摩擦力与固-液粘附力成为固-液界面行为研究中一个重要的内容。
目前，固-液界面摩擦力检测方式包括旋转圆盘、AFM悬臂梁等。微观尺度的固-液界面粘附行为通常使用倾斜板装置和原子力显微镜、表面力仪等测试设备。旋转圆盘着重测试固-液静摩擦力；倾斜板装置是通过观测液滴在重力作用下在倾斜板上的运动规律进而计算得到液滴在固体表面摩擦力，该方法虽然操作简单，但是测量精度低，受液滴尺寸影响很大；此外，原子力显微镜以及表面仪测试时是通过探针与固体表面接触和分离时的电信号反应固-液界面行为，该方法得到的数据精确，但反应的不完全是固-液界面行为，还参杂固-液-固三相之间的耦合行为，因此所得结果与实际值有一定差异。另外，原子力显微镜和表面仪均属于精密仪器，在测量摩擦力过程中对实验环境、实验人员、实验过程和待测样品都有着极高的要求，任何微小的变化因素都会造成极大的实验误差。
毛细管传感器法通过驱动液滴在测量表面上移动，并通过投影观测毛细管偏转来表征固-液的界面力，其测试灵敏、操作步骤简单，但测试力学范围一方面取决于毛细管，如果挠度太小，则很难准确测量力；另一方面，取决于水滴与毛细管和测量表面的粘附竞争，如果液滴与固体表面之间的摩擦力大于液滴与毛细管之间的粘附力，则液滴会脱离毛细管，从而无法得到摩擦力。
因此，亟待开发一种操作便捷，测试范围广、灵敏度高，液滴粘附稳固的液滴驱动器，且可根据所测试样品与液滴粘附力的大小自由切换的固着器。
发明内容
针对现有的固-液界面检测手段中测试体系与液滴粘附性不强的缺点，现提供一种仿浮萍液滴驱动器及固-液界面粘附力测定方法，该液滴驱动器件通过定量挤出并固着液滴，以在使用时增加液滴的可移动性，从而增大液滴与测试设备之间的联动性；同时，该液滴驱动器可以辅助测试系统检测液滴在固体表面的接触行为，从而对液滴在固体表面的相互作用及润湿性进行定量表征，进而准确区分具有不同固-液界面润湿行为的表面，从而为微观尺度下的固-液界面研究提供了新思路。
上述方案的有益效果是：
1)本发明提供的仿浮萍液滴驱动器用于辅助测试液滴与固体界面之间的相对位移以及监测液滴运动过程，该液滴驱动器功能切换灵活，固着液滴牢固，可测试力学范围广；
2)本发明提供的液滴驱动器通过定量挤出液滴并将液滴粘附在固着器上，从而增大液滴与测试设备的联动性。通过改变固着器开口数量、内部结构、外部形状来调节固着器拖动液滴的体积，进一步扩大测试设备的可测试范围；
3)本发明提供的液滴驱动器可以应用在表面粘附、或者表面减阻方面，如自清洁、吸附、抗结冰、抗粘附液滴运输等，以促进固-液界面力学的研究。
附图说明
图1为本发明中提供的固着器的结构示意图；
图2为本发明的实施例1中提供的驱动器的主视结构示意图；
图3为本发明中提供的驱动器用于水平驱动液滴过程示意图；
图4为本发明中提供的驱动器用于垂直驱动液滴的主视结构示意图；
图5为本发明中提供的驱动器用于垂直驱动液滴过程示意图。
附图中：1、液滴泵；2、输送管；3、形变管；4、转换螺口；5、定位器；6、固着器；7、亲水面；8、疏水面；9、透水孔；10、测试液滴；11、待测试样品。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本发明中提供了一种仿浮萍液滴驱动器，其包括：液滴泵1、输送管2、形变管3、转换螺口4、定位器5及固着器6，输送管2的进液口与液滴泵1的出液口连通，输送管2的出液口与中空形变管3的进液口连通，中空形变管3通过转换螺口4与固着器6连通，定位器5安装于中空形变管3靠近转换螺口4的另一端，固着器6为中空结构，固着器6通过转换螺口4与中空形变管3连通，固着器6包括亲水面7和疏水面8，亲水面7具有透水孔和微纳粗糙度，以增大与水滴的粘附力，疏水面的接触角大于150°。
本发明中定位器5位于中空状形变管3(形变管3外径为0.1～2毫米，壁厚为0.05～0.3毫米，长度为30～150毫米，材质包括铝、铝合金、不锈钢、铜、聚合物等，根据样品与液滴相互作用力的大小选择中空形变管3的材质、内外径和长度，通过改变这些参数可以满足测试力的范围为1～200微牛)上，以通过投影确定定位器5位置，从而监测中空形变管3的弯曲形变，从而通过形变管3的形变来反应液滴和所测样品之间的相互作用。
本发明中液滴固着器6用于挤出并固定液滴，使液滴在测试过程中可以变形但不会脱离固着器6。具体的，固着器6外部轮廓为圆形、椭圆形或多边形中的一种；内部形状为圆(圆形均匀排列，其数量为1、2、3、4、5、6、8、9)、一字、十字或井字(井字的排列可以是“一横两竖”、“一横三竖”、“两横一竖”、“两横两竖”、“两横三竖”、“三横一竖”、“三横两竖”、“三横三竖”)等，固着器6内、外部形状可任意组合。固着器6内、外部的形状不同会导致固着器6亲水部分的面积及边长有所差异，进而影响固着器与液滴的接触面积和三相接触线，从而改变液滴驱动器对液滴的驱动力。本发明中固着器6前面内部亲水(亲水面7)，背面和前面边缘处超疏水(疏水面8)，亲水面7测试时用于粘附液滴，而疏水面8排斥液滴，使液滴更好的聚集在亲水处；上述方案下亲水面7上的透水孔9为单个或多个(透水孔9为多个时均匀或非均匀排列)，以通过开口数量影响液滴的挤出速度以及液滴形状。
如图1、2、3所示，本实施例中当形变管3为直线型时利用上述驱动器水平驱动液滴测试固-液界面力的方法为：
1)将待测试样品11固定在样品台上；
2)利用液滴泵1挤出一滴液滴10，使液滴依次经输送管2、形变管3及固着器6挤出并粘附在固着器6的亲水面7；
3)调整驱动器，使液滴与待测试样品11接触，将定位器5投影在屏幕上，缓慢向左移动样品台，使样品沿固定方向移动并带动液滴发生形变，在固-液相互作用下固着器6移动并带动形变管3发生弯曲形变，通过观察形变管3末端内定位器5的相对偏转来监测液滴运动过程、计算液滴被拖动距离。
如图1、4、5所示，本实施例中当形变管3为L型时利用上述驱动器垂直驱动液滴测试固-液界面粘附力的方法为：
1)将待测试样品11固定在样品台上；
2)利用液滴泵1挤出一滴液滴10，使液滴依次经输送管2、形变管3及固着器6挤出并粘附在固着器6的亲水面7；
3)调整驱动器，使液滴与待测试样品11接触，将定位器5投影在屏幕上，缓慢向下移动样品台，使样品沿固定方向移动并带动液滴发生形变，在固-液相互作用下固着器6移动并带动形变管3发生弯曲形变，通过观察形变管3末端上定位器5的相对偏转来监测液滴运动过程、计算液滴被拖动距离。
基于上述技术方案，本申请中以3种中空形变管3及同一固着器6(外部形状为圆形、内部形状为“一字”形、透水孔9数量为3个)组装形成驱动器进行相关摩擦力测试，具体如下：
实施例1
采用外径为0.22毫米、壁厚为0.08毫米、长度为50毫米的不锈钢材质形变管3组装形成驱动器，水平驱动具有圆柱微米阵列结构的待测试样品11(聚二甲基硅氧烷材质)表面的纯水液滴10。
测试得：形变管3的弹性系数K＝0.25牛/米，定位器5的偏移距离为58.08微米，所以该驱动器可驱动在具有圆柱微米阵列结构的聚二甲基硅氧烷表面体积为4微升(由液滴泵1挤出)的水滴，其驱动力约为14.52微牛。
实施例2
采用外径为0.22毫米、壁厚为0.08毫米、长度为50毫米的不锈钢材质形变管3组装形成驱动器，水平驱动具有圆柱微米阵列结构的待测试样品11(聚二甲基硅氧烷材质)表面的纯水液滴10。
测试得：形变管3的弹性系数K＝0.25牛/米，定位器5的偏移距离为66.56微米，所以该驱动器可驱动在具有圆柱微米阵列结构的聚二甲基硅氧烷表面体积为6微升(由液滴泵1挤出)的水滴，其驱动力约为16.64微牛。
实施例3
采用外径为0.22毫米、壁厚为0.08毫米、长度为50毫米的不锈钢材质形变管3组装形成驱动器，水平驱动具有圆柱微米阵列结构的待测试样品11(聚二甲基硅氧烷材质)表面的纯水液滴10。
测试得：形变管3的弹性系数K＝0.25牛/米，定位器5的偏移距离为75.04微米，所以该驱动器可驱动在具有圆柱微米阵列结构的聚二甲基硅氧烷表面体积为8微升(由液滴泵1挤出)的水滴，其驱动力约为18.76微牛。
实施例4
采用外径为0.25毫米、壁厚为0.1毫米、长度为60毫米的不锈钢材质形变管3组装形成驱动器，水平驱动具有圆柱微米阵列结构的待测试样品11(聚二甲基硅氧烷材质)表面的纯水液滴10。
测试得：形变管3的弹性系数K＝0.32牛/米，定位器5的偏移距离为52.56微米，所以该驱动器可驱动在具有圆柱微米阵列结构的聚二甲基硅氧烷表面体积为6微升(由液滴泵1挤出)的水滴，其驱动力约为16.82微牛。
实施例5
采用外径为0.3毫米、壁厚为0.1毫米、长度为65毫米的不锈钢材质形变管3组装形成驱动器，水平驱动具有圆柱微米阵列结构的待测试样品11(聚二甲基硅氧烷材质)表面的纯水液滴10。
测试得：形变管3的弹性系数K＝0.13牛/米，定位器5的偏移距离为124.15微米，所以该驱动器可驱动在具有圆柱微米阵列结构的聚二甲基硅氧烷表面体积为6微升(由液滴泵1挤出)的水滴，其驱动力约为16.14微牛。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种仿浮萍液滴驱动器，其特征在于，包括：液滴泵、输送管、中空形变管、转换螺口、定位器及固着器，所述输送管的进液口与所述液滴泵的出液口连通，所述输送管的出液口与中空形变管的进液口连通，所述中空形变管通过转换螺口与固着器连通，所述定位器安装于中空形变管靠近转换螺口的另一端，所述固着器为中空结构，并通过转换螺口与中空形变管连通，所述固着器包括亲水面和疏水面，所述亲水面具有透水孔和微纳粗糙度，以增大与水滴的粘附力，所述疏水面的接触角大于150°。
2.根据权利要求1所述的仿浮萍液滴驱动器，其特征在于，所述形变管为直线型或L型中的一种。
3.根据权利要求1或2所述的仿浮萍液滴驱动器，其特征在于，所述固着器螺旋连接于所述转换螺口上。
4.根据权利要求1或2所述的仿浮萍液滴驱动器，其特征在于，所述固着器的外部轮廓为圆形、椭圆形或多边形中的一种。
5.根据权利要求4所述的仿浮萍液滴驱动器，其特征在于，所述固着器开设有单孔或多孔，所述多孔均匀排列或非均匀排列。
6.根据权利要求4所述的仿浮萍液滴驱动器，其特征在于，所述固着器内由相互平行或相交、均匀或非均匀线条排列组成。
7.根据权利要求5或6所述的仿浮萍液滴驱动器，其特征在于，所述透水孔为单个。
8.根据权利要求5或6所述的仿浮萍液滴驱动器，其特征在于，所述透水孔为多个，所述透水孔均匀或非均匀排列。
9.根据权利要求5或6所述的仿浮萍液滴驱动器，其特征在于，所述固着器的亲水面呈平面状、外凸状或内凹状。
10.一种使用权利要求1-9任一项所述仿浮萍液滴驱动器的固-液界面粘力测定方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将待测试样品固定在样品台上；
2)利用液滴泵挤出一滴液滴，使液滴依次经过输送管、形变管及固着器挤出并粘附在所述固着器的亲水面；
3)调整驱动器，使液滴与待测试样品接触，将定位器投影在屏幕上，缓慢移动样品台，使样品沿固定方向移动并带动液滴发生形变，在固-液相互作用下所述固着器移动并带动所述形变管发生弯曲形变，通过观察所述形变管末端上所述定位器的相对偏转来监测液滴运动过程、计算液滴被拖动距离。
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| Title |
|---|
| 受限空间内油水界面动态特性及粘附行为的荧光原位观测;刘翔;王金涛;张跃;李占宏;许常红;佟林;;物理化学学报;20160515(05);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115739219A (zh) | 2023-03-07 |
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Legal Events
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