[发明专利]一种纤维接触角在线测量方法与装置

说明书

技术领域

本发明属于测量技术领域，具体涉及一种纤维接触角的在线测量方法与装置，具体地说，涉及一种在线测量聚合物溶液在纤维表面随浓度变化而引起的表面张力、接触角变化的测量方法和测量装置。

背景技术

在各种聚合物基复合材料中，纤维与聚合物基体材料的界面特征直接影响复合材料的湿热老化、力学性能以及电学性能。界面破坏是复合材料湿热老化的主要形式之一，因此聚合物基体与纤维的接触角的测量对复合材料的研究具有极为重要的意义。

聚合物基复合材料通常采用聚合物溶液浸润纤维的方法，进而在挥发溶剂后进行加热加压而获得层压板。由于聚合物溶液随浓度变化会导致其与纤维接触角的变化，从而可能导致纤维界面出现缺陷或孔洞，对材料的性能和使用造成负面影响。因此，通过在线原位测量聚合物溶液随浓度变化而导致的接触角变化，就可以方便地改进复合材料的界面粘结性能。

由于纤维通常呈圆柱形，采用测量平面接触角的技术难以应用于单根纤维接触角的测量。此外，润湿天平法由于聚合物浓溶液的高粘度以及高粘弹性也无法进行。针对溶剂或聚合物溶液在纤维的接触角的测量，B.J.Carroll和J.I.Yamaki等人提出了液滴形状法(B.J.Carroll，Journal of Colloid and Interface Science，1976，57(3)：488-495.J.I.Yamaki，Y.Katayama，Journal of Applied Polymer Science，1975，19：2897-2909)，这种方法依据纤维上悬挂着的液滴形状，结合Young-Laplace方程计算而获得接触角。然而，上述方法需要测量液滴的直径长度等数据，测量过程中的人为因素较多，数据的准确性在很大程度依赖于测量者的个人技巧，因此会出现较大的误差。

此外，文献报道的各种方法都限于对特定液体与纤维的接触角测试，缺乏对溶液随浓度变化而引起接触角变化的测量方法与装置。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的缺点，提高仪器摄像精度、观测自动化程度以及数据处理方法，解决原位跟踪浓度变化对接触角的影响，从而提供一种原位在线测量聚合物溶液在纤维表面随浓度变化而引起的表面张力、接触角变化的测定方法与测量装置。

本发明的技术方案为：

将单根纤维固定于纤维悬挂装置(图3)，利用喷雾器或微量注射器将一定量的聚合物溶液以液滴的形态悬挂在单根纤维上，将整个纤维悬挂装置装入透明加盖的密闭石英盒中(图4)，石英盒内温度可控，盒内嵌有平衡槽，槽中注入待测量聚合物溶液体系的溶剂或适当浓度的溶液；石英盒置于显微镜的载物台上，调节石英盒内温度，待纤维上聚合物溶液液滴达到平衡后，即可利用与显微镜配合使用的高像素摄像机以及和摄像机连接的计算机采集平衡状态下纤维上液滴的形态图。图2为采集图像的装置示意图，图1为采集到的纤维液滴形态图的示意图。通过计算软件对液滴形态图进行处理和分析，获取计算接触角必要的参数，如纤维直径、液滴特征尺寸等，由这些参数即可计算得到聚合物溶液与纤维的接触角。此外，通过调节石英盒内温度、压力和平衡槽内聚合物溶液的浓度可以调节平衡时液滴的浓度，达到在线原位测量不同浓度聚合物溶液与纤维接触角的目的。对液滴图像积分可获得液体的体积值，对比平衡时液滴体积与液滴初始体积及初始浓度就可以计算得到平衡时聚合物溶液液滴的浓度。

本发明提出的纤维接触角在线测量装置，由光学显微镜、数码摄像装置、计算机、悬挂装置和密闭系统组成；其中所述悬挂装置包括：石英密闭盒、单根纤维悬挂装置以及控温、控压装置；其中单根纤维悬挂装置放置于石英密闭盒内，用来固定单根纤维；控温、控压装置用以调节石英密闭盒内的温度和压力；石英密闭盒中嵌有装聚合物溶液或溶剂的平衡槽。

本发明与传统的技术方案相比，具有以下效果：

本发明扩大了纤维液滴形状法的使用范围，解决了已有方法的人为误差，如液滴轴向长度的测定问题等；

本发明可以原位连续采集浓度变化的液滴图像，在保证准确性的基础上，实现了对浓度变化引起接触角变化的测试；

本发明提出的接触角测定方法在学术上具有创新性，可以用于有关聚合物溶液的理论研究。

附图说明

图1：平衡态时单根纤维上液滴的形状示意图。

图2：接触角测量装置示意图。

图3：单根纤维悬挂装置(a)为主视图，(b)为俯视图。

图4：石英密闭盒与单根纤维悬挂装置。