CN204556477U - 二维柔性材料与液体之间贴附性的测试装置及其制样装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种二维柔性材料与液体之间贴附性的测试装置及其制样装置。测试装置包括试样夹持系统、万向关节、测力传感器、升降机、透明液槽、测试台；用该装置通过测试试样与液面之间形成的液桥对试样产生的作用力，获得贴附距离-贴附力曲线，计算最大贴附力、最大贴附距离、贴附功三个表征指标。本实用新型可用于测试和评价机织物、针织物、非织造布、编织物、薄膜、柔性复合材料等各种二维柔性材料对液体的贴附性。

Description

二维柔性材料与液体之间贴附性的测试装置及其制样装置

技术领域

本实用新型涉及二维柔性材料的性能测试领域，尤其涉及二维柔性材料(织物、薄膜、柔性复合材料等)与液体之间的贴附性的测试装置。

背景技术

当表面存在液体时，二维柔性材料的贴附现象非常普遍，有时需避免或弱化，有时则需加以利用。例如高温或运动造成大量出汗、婴儿或老人尿失禁、渗液伤口贴敷、人体代谢使卧床病人的病号服与床褥潮湿、被雨水淋湿、游泳之后上岸等情况下，湿透的纺织品紧贴着人体皮肤，使伸展、弯曲等动作受到很大程度的约束，不能活动自如，并带来生理上以及心理上的强烈不适感，此时应尽量减少贴附。又如敷于脸上的面膜、玻璃等材料上的贴膜，则需要贴附操作容易进行，且贴附紧密、牢固。在此类情形下，垂直于接触面的方向均存在一个吸引力(贴附力)。二维柔性材料与液体两者相接触的界面是否容易分离(即二维柔性材料与液体之间的贴附性)起着关键作用。容易分离的二维柔性材料难以随液体贴附于另一材料之上。因此，对二维柔性材料与液体之间贴附性的研究至关重要。能评价两者之间贴附性强弱的测试装置及测试方法有助于找出影响贴附性的主要因素以及贴附性与二维柔性材料基本性能参数之间的关系规律，可用于指导开发与液体之间贴附性适宜的二维柔性材料。

与液体存在时二维柔性材料的贴附有关的研究报道相当有限，有对湿面料从平面中心拉离贴附平面的外观形态模拟(Yamada等，Reproduction of the behavior of the wet cloths taking the atmospheric pressure into account，ACM Special Interest Group on Computer Graphics and Interactive Techniques  Conference，2013.7.21-25)，有联系主观感受与客观指标的面料舒适性预测模型(Ke等，显汗条件下针织面料主观热湿舒适性预测模型的建立，丝绸，2010，(9)：26-29)，对于产生贴附的具体原因、影响贴附性的主要因素、贴附性与材料基本性能参数之间的关系等方面的研究并不充分。对于相关的性能评价，有测试粘合剂牢度或复合材料层合牢度的朝不同角度进行剥离的方法与装置，并非针对二维柔性材料与液体之间的贴附牢度；有Du Noüy白金环等方法测量硬质材料离开液面时所受的拉力，以液体的表面张力为研究对象，不涉及二维柔性材料；有利用红外热像仪测量湿面料水平静置于保温仪热板时的温度分布，计算贴附部分所占的面积百分比来表达湿面料的贴附性(邢雷，服装热湿舒适性评价与研究——织物动态热湿舒适性评价与研究，北京服装学院，2008)，此法较为间接、近似，受操作手法影响较大，且不能表征二维柔性材料在动态使用过程中的贴附性；有测试竖直方向夹持的湿面料与人造皮肤之间贴附性的装置和方法(纪峰等，CN 102707040 B，面料湿态贴体性快速客观测试装置及方法，2012.05.22)，与面料的实际使用状况较为接近，但未抓住贴附性研究的重点，即二维柔性材料与液体两者之间的相互作用是主要因素，而人造皮肤的存在易成为干扰，其性状会对结果造成较大影响，另外，面料初始含液量无法控制，面料与人造皮肤初始贴合的紧密程度难控制，织物夹持不规则，且液体在测试过程中易因重力作用而不断流失，织物与人造皮肤分离时的形态不规则，干扰因素多，不利于研究面料贴附性的主要因素，且对某些二维柔性材料并不适用，亦无监控和调温功能。目前尚缺乏能够针对性地合理评价二维柔性材料与液体两者之间贴附性的测试装置与测试方法。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种二维柔性材料与液体之间贴附性 的测试装置及其制样装置，用于评价织物、薄膜、柔性复合材料等二维柔性材料表面与液体之间的贴附性。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种二维柔性材料与液体之间贴附性的测试装置，包括试样夹持系统、万向关节、测力传感器、升降机、透明液槽、测试台；所述升降机、测力传感器、万向关节、试样夹持系统依次连接，透明液槽位于试样夹持系统正下方。透明液槽安装在测试台上。所述试样夹持系统包括连接于所述万向关节的透明锥筒部分、透明圆筒部分、第一弹性胶圈、第二弹性胶圈；所述透明圆筒部分一端与所述透明锥筒部分连接，另一端设置有试样固定端，试样固定端套有胶圈；所述透明圆筒部分中段设置有一个平行于试样固定端的隔层，隔层中心固定有水平泡；第一弹性胶圈、第二弹性胶圈均套于透明圆筒部分上；透明锥筒部分和透明圆筒部分上具有气孔。

进一步地，所述装置还包括侧视摄像机和仰视摄像机；侧视摄像机位于试样夹持系统及透明液槽的一侧；仰视摄像机安装在测试台内，且位于透明液槽正下方。

进一步地，所述装置还包括温度计，所述温度计插在透明液槽内；透明液槽侧壁具有体积刻度、高度刻度，底面中部具有一圆形刻度。

进一步地，所述测试台内安装有加热装置，加热装置位于透明液槽下方。

一种用于上述测试装置的制样装置，所述制样装置包括铁磁性空心圆台、第一支撑台、第二支撑台、磁环、环箍器；所述磁环紧密套于铁磁性空心圆台外侧，所述第一支撑台、第二支撑台置于铁磁性空心圆台下方；所述环箍器包括直径大于试样固定端直径的中心圆筒、套于所述中心圆筒外的活动圈环、沿圆周均匀排列的弹性细杆，所述弹性细杆一端固定于中心圆筒下端，另一端连接于活动圈环。

本实用新型的有益效果在于：

(1)能够从主要因素出发，针对性地评价二维柔性材料与液体两者之间的贴附性，不受所贴附的第三种材料的性状等干扰因素影响；

(2)水平贴附并分离的方法具有相应的理论模型支撑，测试结果稳定，再现性好，测试过程中液体流失少，测试操作简便；

(3)一次测试可获得特征曲线、多个重要指标、整个过程的数据表、动态视频，信息量大，评价全面可靠；

(4)对测试过程与结果实行监控和无效判别，剔除不良数据；

(5)适应性广，适用于测试薄膜、机织物、针织物、非织造布、编织物等各种二维柔性材料与某液体之间的贴附性，根据不同需求可有多种不同测试条件，可供科学研究的实验分析，亦可供产品质量、功能的工业化检测。

附图说明

图1是本实用新型的测试装置主体结构示意图；

图2是本实用新型的试样夹持系统中位于下部并可固定试样的透明圆筒部分卸下并倒置后的结构示意图；

图3～图5是本实用新型中利用制样装置将试样装载于透明圆筒部分的过程示意图；其中，图3为该过程中制样装置的摆放示意图，图4为该过程中试样摆放与固定的示意图，图5为该过程装载完毕的示意图；

图6a-e是本实用新型的各个测试步骤中试样与液体的关系示意图；

图7是试样对液体的贴附性典型曲线及指标；

图8是四种不同面料分别测试5个样品所得的贴附距离-贴附力曲线，括号中的数字表示标准偏差占平均值的百分比(前者为最大贴附力的百分比、后者为最大贴附距离的百分比)。

图中：1-试样夹持系统，101-试样，102-透明圆筒部分，103-试样固定端，104-胶圈，105-隔层，106-水平泡，107-铁磁性空心圆台，108a-第一支撑台、108b-第二支撑台，109-磁环，110a-第一弹性胶圈、110b-第二弹性胶圈，111-试样测试面，112-环箍器；2-万向关节；3-测力传感器；4-升降机；51-侧视摄像机，52-仰视摄像机；6-透明液槽，61-液体，62-液桥，63-温度计；7-测试台，71-加热装置，72-内置空间。

具体实施方式

为了便于理解，下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。应当理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。此外应理解，对本实用新型所作的各种等效变化或修改同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本实用新型的实施方式涉及一种二维柔性材料与液体之间贴附性的测试装置，如图1所示，包括试样夹持系统1、万向关节2、测力传感器3、升降机4、透明液槽6、测试台7。所述升降机4、测力传感器3、万向关节2、试样夹持系统1依次连接，透明液槽6位于试样夹持系统1正下方；试样夹持系统1用于对二维柔性材料试样101进行圆周夹持；试样夹持系统1上接万向关节2，使试样101的水平或倾斜度可调；测力传感器3装于万向关节2上方，使试样101在测量过程中所受的拉力实时可测；升降机4连接于测力传感器3上方，控制试样101以某一速度作匀速上升或匀速下降运动，亦可使试样101停留于某一高度；透明液槽6位于试样夹持系统1正下方，内盛大量液体61；测试台7用于放置所述各个部件，具有放置仰视摄像机52以及加热装置71的内置空间72。本实用新型可以通过单次测试可获得特征曲线、多个重要指标、整个过程的数据表等结果。信息量大，评价全面。

所述试样夹持系统1包括连接于所述万向关节2的透明锥筒部分、透明圆筒部分102、第一弹性胶圈110a、第二弹性胶圈110b；如图2所示，所述透明圆筒部分102两端开放，一端与所述透明锥筒部分连接，一般两者之间可以通过螺纹连接，使得所述透明圆筒部分102可灵活装卸，另一端设置有试样固定端103，试样固定端103套有胶圈104，胶圈104的外径不大于试样固定端103(Φ＝70mm，但不限于此)；所述透明圆筒部分102中段设置有一个平行于试样固定端103的隔层105，隔层105中心固定有水平泡106；第一弹性胶圈110a、第二弹性胶圈110b通过环箍器112将试样箍扎于透明圆筒部分102上，使试样测试面111呈平整的圆形而不滑脱。透明锥筒部分和透明圆筒部分102上具有气孔，可使试样的两侧均与大气相连，排除气压差对测试结果的影响。试样沿水平方向铺展并圆周夹持，测试过程中液体流失少，测试操作简便，并能方便地与相应的理论模型建立联系，更有利于对贴附性进行深入研究。在试样101上升过程中，根据体系自由能最小化和界面最小化原理，不同初始形状的试样-液体界面一般自动收拢为圆形，随着被拉起的液桥62高度逐渐增加，界面的直径逐渐减小，试样沿圆周夹持有利于对液桥及界面受力的分析以及试样变形的分析，优于矩形或其他形状夹持，也优于两条边夹持等局部边缘夹持。

万向关节2上接测力传感器3，下连试样夹持系统1的透明锥筒部分上端；万向关节2可在各竖直平面内自由转动，直至隔层105中心的水平泡106指示试样101已水平或已达到所需倾斜角度；万向关节2的转动阻力大于测试过程中试样101所受的贴附力，不会因贴附力而转动角度。

作为公知常识，升降机4可以由电动、气压、液压等各种方式控制其匀速运动；在实施例1中为电动控制，包括电机、传动齿轮、减速齿轮带、螺杆、外管及其两端的限位块；所述螺杆下端连接测力传感器3；升降机4的速度可根 据测试需要而调节(一般在1～500mm/min之间，但不限于此)。

作为优选，上述装置还可以包括侧视摄像机51和仰视摄像机52，上述两个摄像机的分辨率不小于1280ppi×720ppi，帧率不小于24FPS；侧视摄像机51位于试样夹持系统1及透明液槽6的一侧，使用时，为了保证清晰度，侧视摄像机51对焦于试样夹持系统中轴线与液面相交处，可实时观测液桥62(连接试样与液面的液柱，见图6)在试样101上的接触角、液桥62的形态大小变化以及试样101的变形情况；仰视摄像机52安装在测试台7内，且位于透明液槽6正下方，对焦于试样与液体的界面，可实时观测固液界面的形态大小和位置；便于对测试过程进行监控，并可通过视频处理软件和图像处理软件对液桥62、试样101的形态尺寸和固液平均接触角进行测算。

作为优选，透明液槽6的侧壁具有温度计63以及体积刻度、高度刻度，底面中部具有一圆形刻度，其直径等于试样测试面111直径的一半；透明液槽6的横截面积足够大，以使测试过程中液桥体积的变化量对液位所造成的影响可以忽略；通过温度计63与加热装置72可实现不同环境温度下的测试与分析；透明液槽6底面中部的所述圆形刻度结合仰视摄像机52可判断各次测试结果的准确与否，便于及时剔除不良数据。

如图3～图5所示，一种制样装置，包括铁磁性空心圆台107、第一支撑台108a、第二支撑台108b、磁环109、环箍器112；所述磁环109紧密套于铁磁性空心圆台107外侧，所述第一支撑台108a、第二支撑台108b置于铁磁性空心圆台107下方；第一支撑台108a、第二支撑台108b是由非磁性材料制成的两个相互独立的半环，为铁磁性空心圆台107提供支撑并增加高度，可在磁环109施加之后撤走而使磁环109与铁磁性空心圆台107同时悬空，仅凭磁力与摩擦力附着在夹持于两者之间的试样101上；铁磁性空心圆台107的上径大于透明圆 筒部分102，可套于透明圆筒部分102之外，并架于支撑台108a和108b之上，如图3所示；磁环109内径大小居于铁磁性空心圆台107的上径和下径之间，可与铁磁性空心圆台107紧密吸附，将不同厚度的试样沿圆周夹持于铁磁性空心圆台107外侧，如图4所示；磁环109与铁磁性空心圆台107的重量之和等于施加于试样的预加张力；所述环箍器112包括直径大于试样固定端103直径的中心圆筒、套于所述中心圆筒外的活动圈环、沿圆周均匀排列的弹性细杆(或中部铰接的连杆)，所述弹性细杆一端固定于中心圆筒下端，另一端连接于活动圈环。使用时，先将弹性胶圈套在环箍器112的弹性细杆外侧，推动所述圈环，一系列弹性细杆越来越弯曲，其倾斜的下端可将预先套于其上的弹性胶圈推出至透明圆筒部分102上，将试样沿圆周均匀箍紧。

本实用新型中所述的液体可以为水、汗液、血液、表面活性剂、化学溶液等等在实际使用中可能与二维柔性材料发生接触的液体。

本实用新型可以用于测试二维柔性材料与液体之间贴附性，包括以下具体步骤(各步骤中试样与液体的关系如图6所示)：

一：制样

在第一支撑台108a和第二支撑台108b上放置铁磁性空心圆台107，将透明圆筒部分102置入空心处，试样固定端103朝上，如图3所示；剪取圆形(直径Φ＝120mm，但不限于此)待测试样，再将试样101居中平置于试样固定端103上，将磁环109从上往下套在试样101上，使试样测试面111呈平整的圆形，而试样101直径大于试样固定端103的外圈部分下垂并夹持于磁环109和铁磁性空心圆台107之间，如图4所示；将第一支撑台108a和第二支撑台108b分别向两侧轻轻移开，磁环109与铁磁性空心圆台107随即对试样101施加相应大小的张力；

将第一弹性胶圈110a均匀套在环箍器112接近下端口处，移动环箍器112使其下端口套在试样固定端103之外，保持环箍器112的中心圆筒不动而将其圈环向下推，如图4所示，环箍器112的弹性细杆下端倾斜而将第一弹性胶圈110a推出，将试样均匀地箍紧于胶圈104的位置；在不影响试样测试面111和弹性胶圈110a的基础上将磁环109与铁磁性空心圆台107两者分离；通过环箍器112以同样的方法使第二弹性胶圈110b将悬垂的试样外圈箍住，以免试样外圈在测试过程中下垂而触及液体，如图5所示；

将上述装载了试样101的透明圆筒部分102旋转于透明锥筒部分上进行紧固，试样测试面111朝下；

二：测试

(1)在恒温恒湿大气条件(20±2、RH65±5％)下，打开二维柔性材料与液体之间贴附性的测试装置，预热半小时；根据需求确定分离速度、预加张力、试样接触液体的时长、液体温度、液体种类这些实验条件并作相应设置和准备；

(2)转动万向关节2，直至水平泡106显示试样测试面111与液面成3°的交角，如图6a所示，以免进入液体时试样测试面111上附着气泡； 

(3)根据需要选定升降机4的运动速度，带动试样101匀速下降，直至试样测试面111完全浸没在液体61中，试样固定端103端口的最高处降至液面以下2mm后停止下降，如图6b所示；控制试样的静置的时间，使试样测试面111与液体接触的总时长统一为2min或其他约定的时长，以免各面料之间浸润时长的不同对测试结果的可比性造成影响；

(4)转动万向关节2，使水平泡106中的气泡居中，将试样测试面111调至水平，如图6c所示；

(5)通过升降机4使试样101匀速上升，试样测试面111运动至液面上方 后，液桥62(连接试样与液面的液柱)形成，如图6d所示；试样101在液桥62的作用下产生变形，随着试样101继续上升，液桥62形态不断变化(变高、变窄)；试样测试面111的夹持圆周处最先与液桥62分离，试样测试面111中部的高度低于四周(即试样测试面111与液桥62两者之间的固-液界面的高度低于试样测试面111的夹持圆周处，如图6d所示)；测力传感器3以固定频率λ测得试样101与液桥62分离过程中的力f_i，其中i为测力传感器3测得的力信号的序号，试样测试面111刚离开液面时的i记为1(计算时可以通过时|f₁-f₀|＝min|f_i-f₀|对f₁进行判别)，即f₁为时刻测得的信号，f₂为时刻测得的信号，依此类推，直到试样测试面111中部最终与液桥62分离，液桥62断裂，试样101与液桥62完全分离，如图6e所示；液桥62断裂后，升降机4停止运动，测力传感器3可测得试样本身重力与吸收于试样内的液体的重力之和f₀；计算试样测试面111的夹持圆周处与液面的距离，即贴附距离根据力值信号和贴附距离便可以得到贴附距离-贴附力曲线，其中贴附力f＝f_i-f₀。

(6)使升降机4继续上升至限位高度后停止运动，取下装有试样62的透明圆筒部分102，该次测试结束。

在试样101上升过程中，试样101与液桥62分离过程的贴附距离-贴附力典型曲线呈峰形，可得到最大贴附力、最大贴附距离、贴附功三个表征指标，如图7所示；其中：贴附距离s—试样测试面111的夹持圆周处与液面的距离，等于上升速度与上升时间的乘积，单位mm；最大贴附距离S—试样101与液桥62完全分离时的贴附距离，单位mm，I为试样101与液桥62完全分离时i的序号值；贴附力f—液桥62在竖直方向对试样101的作用力，f＝f_i-f₀，单位mN；最大贴附力F—分离过程中液桥62在竖直方向对试样101 的作用力的最大值，F＝Max(f)，单位mN；贴附功W—贴附力在整个分离过程中所做的功，单位μJ；贴附力越大，表明试样101与液体61之间贴附得越牢固，将试样101拉离液体61时受到的阻力越大；贴附距离越大，表明试样101难以完全离开液体61，外力需要经过更大的路程才能将试样101完全拉离液体61；贴附功越大，表明外力带动试样101离开液面直至完全脱离液体61整个过程所做的功越大，消耗的能量也越大。

如要求测试结果还包括固液接触角、液桥尺寸等信息以供更深入的理论分析，则启用侧视摄像机51，通过视频处理软件提取出视频文件中的每个帧；通过图像处理软件分析所需的帧，量取该帧当中的左、右两个固液接触角α₁、α₂，继续量取其他帧的接触角α_k，计算固液接触角的平均值量取所需帧的图像中液桥上径D_α、下径D_b、高H、液桥最细处的颈部直径D_n等尺寸的像素值，并结合图像中像素与实际尺寸的比例尺计算液桥实际尺寸。仰视摄像机52观察试样101与液体界面，若试样101与液桥62最终完全分离的位置不居中，而是偏离试样测试面111的圆心超过1/2半径的距离，则应中止该次测试并剔除所得结果，更换试样重新测试；若试样101与液桥62最终完全分离的位置在试样测试面111的1/2半径以内，则继续该次测试。

下面结合实施例对本实用新型作进一步说明。

实施例1：

选取具有代表性的机织物A、针织物B、非织造布C、薄膜D各一种，规格如表1所示，每种剪取直径为120mm的圆形各5块。

表1.实验材料的基本参数

对各块试样按按所述“一：制样”与“二：测试”的步骤进行测试，在测试过程中，测力传感器3以8.3次/s的频率获取力值数据，测试条件如表2所示。

表2.

待20份试样测试完毕，得到如图8所示测试曲线。对所述A、B、C、D四种不同类型二维柔性材料进行测试所得的四组曲线之间具有明显差异，而对同种材料的5个样品进行测试所得的5条曲线则差异较小，最大贴附力或最大贴附距离的标准偏差占其平均值的百分比都在3.5％以内，其中包括了同种材料不同样品之间可能产生的差异。本测试方法所得结果具有较好的区分度和可重现性，可用于比较不同二维柔性材料对液体的贴附性，对该性能进行评价。

Claims (5)

1.一种二维柔性材料与液体之间贴附性的测试装置，其特征在于，包括试样夹持系统（1）、万向关节（2）、测力传感器（3）、升降机（4）、透明液槽（6）、测试台（7）；所述升降机（4）、测力传感器（3）、万向关节（2）、试样夹持系统（1）依次连接，透明液槽（6）位于试样夹持系统（1）正下方，透明液槽（6）安装在测试台（7）上；所述试样夹持系统（1）包括连接于所述万向关节（2）的透明锥筒部分、透明圆筒部分（102）、第一弹性胶圈（110a）、第二弹性胶圈（110b）；所述透明圆筒部分（102）一端与所述透明锥筒部分连接，另一端设置有试样固定端（103），试样固定端（103）套有胶圈（104）；所述透明圆筒部分（102）中段设置有一个平行于试样固定端（103）的隔层（105），隔层（105）中心固定有水平泡（106）；第一弹性胶圈（110a）、第二弹性胶圈（110b）均套于透明圆筒部分（102）上；透明锥筒部分和透明圆筒部分（102）上具有气孔。

2.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述装置还包括侧视摄像机（51）和仰视摄像机（52）；侧视摄像机（51）位于试样夹持系统（1）及透明液槽（6）的一侧；仰视摄像机（52）安装在测试台（7）内，且位于透明液槽（6）正下方。

3.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述装置还包括温度计（63），所述温度计（63）插在透明液槽（6）内；透明液槽（6）侧壁具有体积刻度、高度刻度，底面中部具有一圆形刻度。

4.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述测试台（7）内安装有加热装置（71），加热装置（71）位于透明液槽（6）下方。

5.一种用于权利要求1所述的测试装置的制样装置，其特征在于，所述制样装置包括铁磁性空心圆台（107）、第一支撑台（108a）、第二支撑台（108b）、磁环（109）、环箍器（112）；所述磁环（109）紧密套于铁磁性空心圆台（107）外侧，所述第一支撑台（108a）、第二支撑台（108b）置于铁磁性空心圆台（107）下方；所述环箍器（112）包括直径大于试样固定端（103）直径的中心圆筒、套于所述中心圆筒外的活动圈环、沿圆周均匀排列的弹性细杆，所述弹性细杆一端固定于中心圆筒下端，另一端连接于活动圈环。