[发明专利]基于液滴轮廓曲线两测量点的液体表面张力的测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及液体性能测试技术领域，特指一种通过测量轴对称液滴轮廓曲线上的两选定测量点处的几何参数和计算两测量点间的液体体积从而实现液体界面张力测量的方法，其适用于座滴法中所测量的液体形成的小液滴能在辅助测量平台表面具有大于90°接触角的情况或利用悬滴法获取的液滴轮廓曲线的最大宽度（液滴轮廓曲线与一条水平直线相交的两交点之间的距离的最大值）位置不在轴对称辅助支承表面上的情况下的液体界面张力的测量，尤其适用于仅具有小体积量的液体界面张力以及极端条件如高温高压（或低压）条件下的液体界面张力的测量分析。

背景技术

液体界面张力是液体物质的一个重要特性，在化工、医学、材料、生物等领域受到广泛关注。因此，对液体界面张力的测量与控制是工程界的一个重要课题。

目前，液体界面张力测量主要采用的滴外形法[A.W. Adamson andA.P Gast,Physical Chemistryof Surfaces(Wiley,New York,1997),p.362.]需要通过比较的理论液滴轮廓曲线和实验液滴轮廓曲线来得出液体的界面张力，其中求解理论液滴轮廓曲线时需要对微分方程进行求解，同时需要选择合适的表达吻合度的参数[M.Hoorfar and A.W. Neumann,Adv.Colloid Interf.Sci.121,25(2006)]，使得在选定合理参数的情况下计算出的理论液滴轮廓曲线能够与实验液滴轮廓曲线实现较好的吻合。这种比较过程使得该方法不够直接，而且涉及到求解微分方程，不利于一般专业技术人员的实施。为实现直接的液体界面张力测量，我们提出了“基于轴对称液滴轮廓曲线和重量的液体界面张力测量方法”和“基于轴对称液滴轮廓曲线和体积的液体表面张力测量方法”。通过这两种方法仅需要测量液滴轮廓曲线的几个直观的几何参数和重量（或计算体积），即可通过公式直接计算出液体的表面张力。然而，这两种方法的实现有赖于液滴轮廓曲线顶点清晰可辨，这限制了这两种方法的应用范围：一方面，由于测试过程中光照的影响，液滴轮廓曲线在顶点处的轮廓可能会发生缺失的现象，此时难以获取液滴轮廓曲线在顶点处的曲率半径和液滴的高度，从而使测量方法失效；另一方面，液滴轮廓曲线在顶点处的曲率半径是通过近似计算的方法得到的，是在假设液滴在顶点附近局部区域内的曲面为理想球面的基础上计算的，但实际上液滴受到重力的作用会发生变形从而使液滴的曲面与理想球面间有偏差，这会影响到测量结果。

为此，本发明拟通过设定两测量点的方法来实现液体界面张力的测量和计算，其中仅需要测量与液滴轮廓曲线相关的长度量和液滴轮廓曲线在设定的测量点处的切线的角度量而不需要计算液滴轮廓曲线在顶点处的曲率半径，使测试结果具有更好的确定性，同时也适用于液滴轮廓曲线在顶点处发生缺失的情况下的液体界面张力的测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种通过测量轴对称液滴轮廓曲线上与两个选定测量点相关的几何参数和过两测量点的水平面之间的液体体积来实现液体表面张力直接测量的方法，实现广泛微量液体以及高温高压等严峻环境下液体的界面张力测量，尤其可实现液滴轮廓曲线在顶点处出现局部缺失情况下的液体界面张力的测量。

本发明按下述技术方案实现：

一种基于液滴轮廓曲线与选定的两测量点相关的几何参数和体积的液体界面张力测量方法，是：采用图像采集设备（如接触角测量仪、CCD）摄制液滴在辅助测试平台上表面上铺展的图片（座滴法）或液滴悬挂于水平放置的轴对称辅助支承表面下的图片（悬滴法），对图片进行处理提取液滴轮廓曲线；在液滴轮廓曲线上选定两测量点并测量出与两测量点相关的液滴轮廓几何参数；根据液滴轮廓曲线计算出两测量点所在的水平面之间的液体体积；将测量的几何参数和计算的液体体积代入本专利提供的计算公式即可直接计算出液体的界面张力。

上述方法中，测量的液滴轮廓曲线的主要几何参数是以两测量点为基准的几何参数，包括两测量点间的竖直距离H、过测量点的水平线与液滴轮廓曲线交点与该测量点之间的距离2r、液滴轮廓曲线在第一测量点处的切线与水平线间的夹角θ₁以及液滴轮廓曲线在第二测量点处的切线与水平线间的夹角θ₂这几个简单几何参数。

上述方法中，两测量点所在的水平面之间的液滴体积通过公式进行计算，其中V为所求液体体积，h为图像每个像素的真实高度，i为所计算的像素层，i=0为下测量点所在的像素层，i＝N为上测量点的像素层，r_i为第i像素层上的液滴轮廓曲线的半径。