CN203849133U - 一种测试水压作用下超疏水状态稳定性的设备 - Google Patents

Abstract

一种测试水压作用下超疏水状态稳定性的设备，在一套特殊的透明密封容器系统中，利用水下超疏水界面的全反射现象和光电检测技术来对水下超疏水材料的不同润湿状态进行区分和识别；利用小型空气压缩机来驱动水下Cassie状态到Wenzel状态的润湿转变；利用真空泵来实现对水下截留气体的移除。通过引入小功率半导体激光照明和光电检测来量化超疏水界面反射光的强度，得到反射光强度在压力作用下的特征强度曲线，根据特征曲线上的拐点，可得到水下超疏水状态由Cassie状态向Wenzel状态过渡的临界压力，即实现对水下超疏水状态稳定性的测试。

Description

一种测试水压作用下超疏水状态稳定性的设备

技术领域

本发明涉及一种水下超疏水状态稳定性测试与表征领域，特别提供了一种用于观察和测试水下超疏水状态稳定性的设备。

背景技术

超疏水材料具有防水和低粘附等特性，因此在表面防污与自清洁、金属防腐蚀、微流管道减阻、防结冰、油水分离净化等领域有着重要的应用价值。研究表明，在液滴拉普拉斯力、冲击、流体静压力的作用下，液体会侵入到材料表面的微结构中去，从而导致超疏水界面丧失应有的功能。因此维持超疏水状态的稳定性，避免液体侵入到超疏水材料表面的微结构在实际应用中极其重要。现有的表观接触角和接触滞后测试是建立在5μL液滴的拉普拉斯压力(112Pa左右)之上的，并不能反映水下超疏水状态的稳定性，因此需要一种新的设备来测试水下超疏水状态的稳定性。

关于超疏水状态稳定性的研究表明，对于凸起型结构的超疏水材料，微结构内部的气体因与大气连通而可以自由流动，在这种情况下，Cassie状态依靠三相线上的毛细作用力来维持的：即水通过表面张力在超疏水材料表面微结构之间搭起“水桥”，并通过三相接触线将载荷传递到表面微结构上，从而实现了水在微结构上的“悬浮”。当外力大于三相线上的极限毛细作用力时，液体就会侵入到超疏水材料的表面微结构中。由于实际应用中的超疏水材料的微结构排列并不规律，具体几何形状也各不相同，难以用理论进行预测，需通过实验来确定。在实验方面，有挤压液滴法、灰度法和电化学阻抗法等，但由于这些测试方法并非专业测试技术，局限性较大，因此需要一种普遍的可行性试验设备。

实用新型内容

本发明的目的是对超疏水材料的疏水稳定性进行测试和表征，特别是提供了一种用于测试水下超疏水状态稳定性的设备，本实用新型采用的技术方案如下：

一种测试水压作用下超疏水状态稳定性的设备，包括底座，由真空泵和观察箱体、光测箱体、储水箱三个相连通的箱体组成，底座上设有观察箱体、光测箱体和储水箱，观察箱体右侧和光测箱体左侧通过管道连接，光测箱体右上方与储水箱通过管道连接，回水电磁阀一端与光测箱体连接，另一端和离心泵连接，离心泵上方和储水箱相通；观察箱体和光测箱体上方分别设有观察箱体密封盖和光测箱体密封盖，内壁设有样品支架底座，其上设有样品支架，观察箱体的外侧设有固定在底座上的CCD传感器；光测箱体的左右两侧设有固定在箱体上的光电传感器和半导体激光器，内部下方设有温度传感器；储水箱上方设有压力传感器，储水箱内部装有测试用水；控气电磁阀的一端和小型空气压缩机连接，另一端与排气电磁阀连接；所述储水箱、观察箱体、光测箱体、控气电磁阀和排气电磁阀五者之间互通。

进一步的，为了方便数据的采集和计算，光电传感器、温度传感器、压力传感器三者和数据采集卡连接，CCD传感器和图像采集卡连接，数据采集卡和图像采集卡和计算机连接。

进一步的，用以驱动系统内润湿状态从Cassie状态到Wenzel状态的转变，可在实验后期排出容器系统内的高压气体，用以将水从观察和光测箱体内抽回储水箱以进行新的实验，所述储水箱下面和离心泵相连接，外与排气电磁阀、小型空气压缩机相连接。

进一步的，所述观察箱体和光测箱体和储水箱采用透明有机玻璃材料。

进一步的，半导体激光器和光电传感器分别采用小型半导体激光器和优质光电二极管作为光测系统。

本实用新型的优点：该发明为超疏水材料在压力作用下的疏水稳定性测试提供了一套专业设备，具有广泛的适应性和多用型，适用于所有的超疏水材料。真空泵的引入能够实现对截留气体影响的消除，因此除了用于研究水下超疏水状态的稳定性之外，还能够用于研究界面处截留气体对稳定性的影响以及润湿可逆性问题；若引入外部压力箱体之后，还可用于测试超疏水状态的寿命。

附图说明

图1为超疏水状态稳定性测试的设备图。

图2为超疏水材料在水下的全反射和漫反射示意图。

图3为数据与图像采集系统示意图。

图4实施案例1的测试结果图。

图5实施案例2的测试结果图。

具体实施方式

根据图1、2、3具体说明实施方案：

一种测试水压作用下超疏水状态稳定性的设备，包括底座1，由真空泵5和观察箱体2、光测箱体21、储水箱16三个相连通的箱体组成，底座1上设有观察箱体2、光测箱体21和储水箱16，观察箱体2右侧和光测箱体21左侧通过管道9连接，光测箱体21右上方与储水箱16通过管道9连接，回水电磁阀18一端与光测箱体21连接，另一端和离心泵17连接，离心泵上方和储水箱16相通；观察箱体2和光测箱体21上方分别设有观察箱体密封盖6和光测箱体密封盖11，内壁设有样品支架底座8，其上设有样品支架7，观察箱体2的外侧设有固定在底座1上的CCD传感器4；光测箱体21的左右两侧设有固定在箱体上的光电传感器22和半导体激光器19，内部下方设有温度传感器20；储水箱16上方设有压力传感器14，储水箱16内部装有测试用水15；控气电磁阀12的一端和小型空气压缩机10连接，另一端与排气电磁阀13连接；所述储水箱16、观察箱体2、光测箱体21、控气电磁阀12和排气电磁阀13五者之间互通；光电传感器22、温度传感器20、压力传感器14三者和数据采集卡连接，CCD传感器4和图像采集卡连接，数据采集卡和图像采集卡和计算机连接；所述储水箱16下面和离心泵17相连接，外与排气电磁阀13、小型空气压缩机10相连接；所述观察箱体2和光测箱体21和储水箱16采用透明有机玻璃材料；半导体激光器19和光电传感器22分别采用小型半导体激光器和优质光电二极管作为光测系统。

实施案例1：将超疏水材料取样并置于支架7上后将支架7安装在观察箱体2和光测箱体21内的支架支座上，然后在密封部位涂上真空密封油后用观察箱体密封盖6和光测箱体密封盖11对观察箱体2和光测箱体21进行密封；完成密封之后开启真空泵5对压力容器系统进行抽真空，抽至沸腾以后持续5分钟以排除系统内部的空气；然后停止抽真空，带容器内的压力上升至当前温度下(由温度传感器20测得)水的饱和蒸汽压时打开半导体激光器19和回水电磁阀18，测试用水15在重力作用下会从从储水箱16流回到观察箱体2和光测箱体21以完成对样品的淹没，从而使得系统处于水下超疏水状态；之后开启小型空气压缩机10加压到160kPa以驱动润湿状态从Cassie状态转变到Wenzel状态。实验过程中超疏水界面的变化由CCD传感器4进行记录，并通过图像采集卡进行采集；相应的压力、温度和反射光强度分别由绝对压力传感器14和温度传感器20和光电传感器22进行测量，最终所获得的数据由据采集卡进行采集。实验结束后通过排气电磁阀13进行排气，并同时打开回水电磁阀18和离心泵17将样品架支架以上的水抽送回到储水箱。以荷叶为例，实验结果如图4所示。

实施案例2：将超疏水材料取样并置于支架7上后把支架7安装在观察箱体2和光测箱体21内的支架支座上，然后在密封部位涂上真空密封油后用观察箱体密封盖6和光测箱体密封盖11对观察箱体2和光测箱体21进行密封；完成密封之后打开半导体激光器19和回水电磁阀18，水在重力作用下会从从储水箱16流回到观察箱体2和光测箱体21以完成对样品的淹没；之后开启小型空气压缩机10加压到一定值(以120kPa为例)以驱动润湿状态从Cassie状态转变到Wenzel状态，并通过排气电磁阀13进行排气来观察润湿状态的可逆性。实验过程中超疏水界面的变化由CCD传感器4和光电传感器22进行测量，相应的温度和压力分别由绝对压力传感器14和温度传感器20进行测量，然后经由计算机通过数据采集卡和图像采集卡对数据和图像进行记录。实验结束后同时打开回水电磁阀18和离心泵17将水送回到储水箱。以荷叶为例，实验结果如图5所示。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本实用新型所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种测试水压作用下超疏水状态稳定性的设备，包括底座(1)，其特征在于：由真空泵(5)和观察箱体(2)、光测箱体(21)、储水箱(16)三个相连通的箱体组成，底座(1)上设有观察箱体(2)、光测箱体(21)和储水箱(16)，观察箱体(2)右侧和光测箱体(21)左侧通过管道连接，光测箱体(21)右上方与储水箱(16)通过管道(9)连接，回水电磁阀(18)一端与光测箱体(21)连接，另一端和离心泵(17)连接，离心泵上方和储水箱(16)相通；观察箱体(2)和光测箱体(21)上方分别设有观察箱体密封盖(6)和光测箱体密封盖(11)，内壁设有样品支架底座(8)，其上设有样品支架(7)，观察箱体(2)的外侧设有固定在底座(1)上的CCD传感器(4)；光测箱体(21)的左右两侧设有固定在箱体上的光电传感器(22)和半导体激光器(19)，内部下方设有温度传感器(20)；储水箱(16)上方设有压力传感器(14)，储水箱(16)内部装有测试用水(15)；控气电磁阀(12)的一端和小型空气压缩机(10)连接，另一端与排气电磁阀(13)连接；所述储水箱(16)、观察箱体(2)、光测箱体(21)、控气电磁阀(12)和排气电磁阀(13)五者之间互通。

2.根据权利要求1所述的一种测试水压作用下超疏水状态稳定性的设备，其特征在于：光电传感器(22)、温度传感器(20)、压力传感器(14)三者和数据采集卡连接，CCD传感器(4)和图像采集卡连接，数据采集卡和图像采集卡和计算机连接。

3.根据权利要求1所述的一种测试水压作用下超疏水状态稳定性的设备，其特征在于：所述储水箱(16)下面和离心泵(17)相连接，外部与排气电磁阀(13)、小型空气压缩机(10)相连接。

4.根据权利要求1所述的一种测试水压作用下超疏水状态稳定性的设备，其特征在于：所述观察箱体(2)和光测箱体(21)和储水箱(16)采用透明有机玻璃材料。

5.根据权利要求1所述的一种测试水压作用下超疏水状态稳定性的设备，其特征在于：半导体激光器(19)和光电传感器(22)分别采用小型半导体激光器和优质光电二极管作为光测系统。