RU2178163C1

RU2178163C1 - Method based on effect of thermal capillary convection induced by laser beam and measuring edge angles of wetting with use of inclined plate

Info

Publication number: RU2178163C1
Application number: RU2001107476/28A
Authority: RU
Inventors: Б.А. Безуглый; О.А. Тарасов; А.А. Федорец
Original assignee: Тюменский государственный университет
Priority date: 2001-03-20
Filing date: 2001-03-20
Publication date: 2002-01-10

Abstract

FIELD: instrumentation. SUBSTANCE: process of control over planeness of free surface of liquid near inclined plate is improved by way of use of thermal capillary convection induced by laser beam. While measuring edge angles of wetting portion of laser inducing convection and reflected from free surface of liquid is projected on screen positioned in cross-section of caustic of reflected beam. Corresponding interference picture is viewed on screen. Wetting of inclined plates used in measurement leads to static deformation of free surface of liquid between them having form of cylindrical meniscus. Form of response depends on value and sign of static curvature thanks to property of additivity of dynamic curvature of thermal capillary recess and static curvature of free surface of liquid. In case of unidimensional static curvature of free surface of liquid between plates thermal capillary response from laser beam incident between them has shape of ellipse. EFFECT: elimination of subjectivity factor and automation of high-precision measurements. 4 dwg

Description

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано для измерения краевых углов смачивания. The invention relates to the field of instrumentation and can be used to measure contact angles of wetting.

Предлагаемый в изобретении способ может быть использован для измерения краевых углов смачивания с высокой точностью в автоматическом режиме в физических и химических приборах. Proposed in the invention method can be used to measure the contact angles of contact with high accuracy in automatic mode in physical and chemical devices.

Известно более двадцати способов измерения краевых углов смачивания [1, 2, 3] , отличающихся точностью, воспроизводимостью и трудоемкостью измерений, сложностью установки. Краевой угол измеряют либо непосредственно из геометрии границы раздела трех фаз (например, по профилю пузырька или капли), либо косвенно (по величине поднятия жидкости в капилляре, по силе втягивания пластинки в жидкость). Недостатком косвенных способов является необходимость в дополнительном измерении поверхностного натяжения, а также серьезные требования, накладываемые на системы, в которых производятся измерения (например, способ капиллярного поднятия применим лишь для прозрачных твердых тел, а способ втягивающейся пластинки Вильгельми критичен к неоднородности пластинки по периметру). More than twenty methods are known for measuring the contact angles of contact [1, 2, 3], which are distinguished by their accuracy, reproducibility and laboriousness of measurements, and complexity of installation. The contact angle is measured either directly from the geometry of the interface of the three phases (for example, according to the profile of the bubble or drop), or indirectly (by the magnitude of the liquid raising in the capillary, by the force of drawing the plate into the liquid). The disadvantage of indirect methods is the need for additional measurement of surface tension, as well as the serious requirements imposed on the systems in which the measurements are made (for example, the method of capillary lifting is applicable only for transparent solids, and the method of the retractable plate by Wilhelmy is critical to the heterogeneity of the plate around the perimeter).

Наиболее близкой к предложенному способу является одна из модификаций способа наклонной пластинки измерения краевых углов смачивания [3] . Способ наклонной пластинки относится к способам прямого измерения краевого угла смачивания и, несмотря на простоту, является одним из самых точных. Суть его состоит в следующем. Пластинку шириной несколько сантиметров погружают в жидкость, при этом свободная поверхность жидкости образует вогнутый или выпуклый мениск. Пластинку наклоняют до тех пор, пока мениск не станет плоским; угол между пластинкой и горизонталью и является краевым углом смачивания. В модификации, взятой за прототип, о плоскостности мениска судят, освещая область контакта жидкости с пластинкой узким пучком света и наблюдая за линией света. Если поверхность жидкости плоская вплоть до пластинки, линия света на поверхности жидкости и на пластинке являются двумя прямыми линиями, которые встречаются на трехфазной границе раздела. В случае неплоскостности поверхности жидкости наблюдается искривление линии света вблизи пластинки. К недостаткам данной модификации способа наклонной пластинки измерения краевых углов смачивания следует отнести то, что плоскостность поверхности жидкости оценивается "на глаз", что требует высокого мастерства экспериментатора и вносит в измерения трудноустранимый фактор субъективности. Closest to the proposed method is one of the modifications of the method of an inclined plate for measuring the wetting angles [3]. The inclined plate method relates to methods for directly measuring the wetting angle and, despite its simplicity, is one of the most accurate. Its essence is as follows. A plate several centimeters wide is immersed in a liquid, while the free surface of the liquid forms a concave or convex meniscus. The plate is tilted until the meniscus is flat; the angle between the plate and the horizontal is the wetting angle. In the modification taken as a prototype, the meniscus flatness is judged by illuminating the area of contact of the liquid with the plate with a narrow beam of light and observing the line of light. If the surface of the liquid is flat up to the plate, the line of light on the surface of the liquid and on the plate are two straight lines that occur at the three-phase interface. In the case of non-flatness of the liquid surface, a curvature of the light line near the plate is observed. The disadvantages of this modification of the method of an inclined plate for measuring the wetting angles are the fact that the flatness of the surface of the liquid is evaluated "by eye", which requires high skill of the experimenter and introduces into the measurement the difficult factor of subjectivity.

Целью данного изобретения является устранение фактора субъективности из процесса измерений и автоматизация процесса измерений. The aim of this invention is to eliminate the factor of subjectivity from the measurement process and the automation of the measurement process.

Для достижения поставленной цели используют индуцированную тепловым действием лазерного излучения термокапиллярную (ТК) конвекцию. Часть лазерного луча, индуцирующего конвекцию, отраженную от деформированной ТК конвекцией свободной поверхности жидкости (ТК углубления) проецируют на экран, помещенный в поперечном сечении каустики отраженного луча. На экране наблюдают интерференционную картину - ТК отклик, а плоскостность либо неплоскостность свободной поверхности жидкости определяют из геометрии ТК отклика [4] . В случае плоскопараллельного слоя жидкости ТК отклик имеет вид концентрических окружностей (фиг. 1). To achieve this goal, thermocapillary (TC) convection induced by the thermal action of laser radiation is used. A portion of the laser beam that induces convection reflected from the deformed TC by convection of the free surface of the liquid (TC cavity) is projected onto a screen placed in the cross section of the caustic of the reflected beam. An interference pattern is observed on the screen — the TC response, and the flatness or non-flatness of the free surface of the liquid is determined from the geometry of the TC response [4]. In the case of a plane-parallel liquid layer, the TC response has the form of concentric circles (Fig. 1).

При наличии одномерной статической кривизны свободной поверхности жидкости между пластинками, ТК отклик от лазерного пучка, падающего между ними, трансформируется в эллипс, геометрия которого определяется величиной и знаком статической кривизны [4] . Геометрию трансформированного ТК отклика характеризуют диаметры D_b и D_i (фиг. 2). Диаметр D_b зависит от величины и знака одномерной статической кривизны свободной поверхности жидкости: при вогнутом мениске D_b растет с уменьшением его радиуса кривизны, при выпуклом мениске D_b уменьшается с уменьшением радиуса кривизны мениска. На диаметр D_i одномерная статическая кривизна не оказывает влияния.In the presence of one-dimensional static curvature of the free surface of the liquid between the plates, the TC response from the laser beam incident between them is transformed into an ellipse, the geometry of which is determined by the magnitude and sign of the static curvature [4]. The geometry of the transformed TC response is characterized by the diameters D _b and D _i (Fig. 2). The diameter D _b depends on the magnitude and sign of the one-dimensional static curvature of the free surface of the liquid: with a concave meniscus, D _b increases with a decrease in its radius of curvature, with a convex meniscus D _b decreases with a decrease in the radius of curvature of the meniscus. The diameter D _{i has} one-dimensional static curvature.

Величину и знак одномерной статической кривизны свободной поверхности жидкости удобно характеризовать коэффициентом К, определяемым как:
K= D_h/D_i-1.The magnitude and sign of the one-dimensional static curvature of the free surface of the liquid is conveniently characterized by a coefficient K, defined as:
K = D _h / D _i -1.

При вогнутой свободной поверхности жидкости К>0, при выпуклой К<0. В случае плоской поверхности жидкости К= 0. With a concave free surface of the liquid K> 0, with a convex K <0. In the case of a flat liquid surface, K = 0.

Экспериментально доказано, что по форме ТК отклика можно надежно регистрировать одномерную статическую кривизну свободной поверхности жидкости с радиусом не менее 6,5 метров, что положено в основу модифицированного способа наклонной пластинки. It was experimentally proved that according to the shape of the TC response, one-dimensional static curvature of the free surface of a liquid with a radius of at least 6.5 meters can be reliably recorded, which is the basis for the modified method of an inclined plate.

Принципиальная схема способа показана на фиг. 3. Здесь 1 - лазер, излучение которого хорошо поглощается жидкостью; 2 - ТК углубление; 3 - устройства, синхронно изменяющие угол наклона пластинок; 4 - сосуд с жидкостью; 5 - пластинки, у которых определяется краевой угол смачивания; 6 - экран. A schematic diagram of the method is shown in FIG. 3. Here 1 is a laser whose radiation is well absorbed by the liquid; 2 - TC recess; 3 - devices synchronously changing the angle of inclination of the plates; 4 - a vessel with liquid; 5 - plates, in which the contact angle is determined; 6 - screen.

Сущность предлагаемого способа состоит в следующем:
а) пластинки под одинаковым углом погружают в жидкость, затем регистрируют диаметры D_b и D_i, и вычисляют коэффициент К. По его знаку определяют, является ли мениск выпуклым или вогнутым;
б) симметрично изменяют угол наклона пластинок и одновременно снимают зависимость К от угла наклона пластинок. Для повышения точности измерений угол наклона пластинок изменяют таким образом, чтобы величина К, пройдя через ноль, приняла значение, приблизительно равное по абсолютной величине и противоположное по знаку своему начальному значению;
в) краевой угол смачивания соответствует абсциссе точки пересечения полученной зависимости с прямой К= 0;
г) если в начальный момент мениск вогнутый (выпуклый), то в результате измерений получают угол оттекания (натекания).The essence of the proposed method is as follows:
a) the plates at the same angle are immersed in the liquid, then the diameters D _b and D _i are recorded and the coefficient K is calculated. It is determined by its sign whether the meniscus is convex or concave;
b) symmetrically change the angle of inclination of the plates and simultaneously remove the dependence of K on the angle of inclination of the plates. To increase the accuracy of measurements, the angle of inclination of the plates is changed so that the value of K, passing through zero, takes a value approximately equal in absolute value and opposite in sign to its initial value;
c) the contact angle corresponds to the abscissa of the point of intersection of the obtained dependence with the line K = 0;
d) if at the initial moment the meniscus is concave (convex), then as a result of the measurements, the angle of leakage (leakage) is obtained.

Пример. Измерение краевого угла смачивания тефлоновой пластинки бутанолом-1 (фиг. 4). Здесь кривая 1 соответствует измерению краевого угла оттекания, а кривая 2 - измерению угла натекания. Точки выше оси абсцисс соответствуют вогнутому, а точки ниже - выпуклому жидкому мениску. Как видно из фиг. 4, угол оттекания в рассмотренной системе θ_r,= (33,4±0,4)^°, угол натекания θ_a= (54,0±0,5)^°.
Таким образом, предлагаемый способ обладает следующими преимуществами. Оптическая схема способа не требует точной юстировки, предельно проста и надежна. Способ позволяет с высокой точностью и в автоматическом режиме измерять краевые углы смачивания.Example. Measurement of the contact angle of the teflon plate with butanol-1 (Fig. 4). Here, curve 1 corresponds to the measurement of the outflow angle, and curve 2 to the measurement of the leakage angle. The points above the abscissa correspond to the concave, and the points below to the convex liquid meniscus. As can be seen from FIG. 4, the outflow angle in the considered system is θ _r, = (33.4 ± 0.4) ^° , the leakage angle θ _a = (54.0 ± 0.5) ^° .
Thus, the proposed method has the following advantages. The optical scheme of the method does not require precise adjustment, it is extremely simple and reliable. The method allows with high accuracy and in automatic mode to measure the contact angles of wetting.

Литература
1. Адамсон А. Физическая химия поверхностей. М. , Мир, 1979, с. 275-277.Literature
1. Adamson A. Physical chemistry of surfaces. M., Mir, 1979, p. 275-277.

2. Абрамзон А. А. Поверхностные явления и поверхностно-активные вещества. Л. , Химия, 1984, с. 174-177. 2. Abramzon A. A. Surface phenomena and surfactants. L., Chemistry, 1984, p. 174-177.

3. Neuman A. W. , Good R. J. Techniques of measuring contact angles. In: Surface and colloid science. Vol. 11. Experimental methods. Eds: Good R. J. , Stromberg R. R. N. Y, Plenum Press, 1979, pp. 58-60. 3. Neuman A. W., Good R. J. Techniques of measuring contact angles. In: Surface and colloid science. Vol. 11. Experimental methods. Eds: Good R. J., Stromberg R. R. N. Y, Plenum Press, 1979, pp. 58-60.

4. Безуглый Б. А. Капиллярная конвекция, управляемая тепловым действием света и ее применение в способах регистрации информации. Автореф. дис. канд. ф. -м. н. , М, МГУ, 1983, 18 с. 4. Bezugliy B. A. Capillary convection controlled by the thermal action of light and its application in methods of recording information. Abstract. dis. Cand. f. m. n , M, Moscow State University, 1983, 18 pp.

Claims

A method of measuring the contact angles of contact with an inclined plate, characterized in that two symmetrically inclined flat plates are used, and the moment when the free surface of the liquid near the plates becomes flat is controlled by a laser beam directed between the plates, which induces thermocapillary convection in the liquid layer, partially reflected from the deformed convection of the free surface of the liquid and creates an interference pattern on the screen placed in the cross section of its caustic a picture whose shape depends on the curvature of the free surface of the liquid.