[发明专利]一种快速测量液滴动态接触角的装置及方法

说明书

本发明公开了一种快速测量液滴动态接触角的装置及方法，装置包括相机、注液装置和样品台，样品台包括外框架和安装在外框架内并能自由转动的圆形平板，圆形平板上设有用于夹持两个待测固体样品薄片的弹簧夹，在两个待测的固体样品薄片之间形成供液体流过的通道。首先将通道旋转至水平状态，然后通过注液装置向通道内注入液体，旋转通道，拍摄液滴刚刚滑动状态时液滴与固体样品薄片界面形状，利用绘图软件测量液滴的关键接触角，之后将通道旋转竖直状态，测量液滴的动态接触角和滑动速度，然后计算接触角水动力模型的两个参数，利用参数即可快速计算任意速度下的动态接触角。本发明结构简单，测量迅速快捷，可以快速建立动态接触角计算模型。

技术领域

本发明属于流体界面领域，涉及一种液体接触角测量方法，具体涉及一种快速测量液滴动态接触角的装置及方法。

背景技术

表面湿润性是固体材料的特征属性之一，其通常是采用液滴与固体表面接触线之间的夹角(接触角)来衡量。接触角的大小对于固体表面液体的吸附、脱离、扩张等行为具有重要的影响，是工业生产中所关注的重要指标。此外，在工程活动中，尤其是地下岩土工程中接触角的大小决定了地下孔隙、裂隙渗流中毛细驱动力的大小，对地下渗流规律有着重要影响。地下渗流是工程领域所关心的核心问题，其涉及到诸多领域的安全问题，如地下水污染，地下核废料泄露、地下水循环等。因此，准确测定接触角的大小对于开展相关科研工作及指导工程建设具有重要意义。

大量细观观测表明液滴处于水平静止状态时接触角为一恒定值，其大小与固体表面特性有关，当液滴在固体表面流动时，其前进界面的接触角会随流速的增大而增大，而后退界面的接触角则会随流速的增大而减小。当液滴处于静止状态测得的接触角为静态接触角；处于运动状态测得的接触角为动态接触角。静态接触角多用于研究一些静态问题或是准静态问题，而动态接触角则多用于分析一些复杂的动态运动过程。大量对比研究表明，将静态接触角运用于分析动态问题时，理论结果将会和实际现象产生较大误差。因此，在研究动态问题时有必要准确测定液滴的动态接触角。

目前市场上所拥有的接触角测量仪器绝大多数为静态接触角测量仪，其测量方法大多采用图形分析法、称重法等；市场上也出现了诸多品牌型号的工业产品，如德国kruss液滴形状分析仪。这些产品为静态接触角的测量提供了有效的手段。然而在动态接触角的测量上，市场上已有的产品尚不能测量接触角随流速变化的动态过程。因此，在动态渗流研究方面，急需一种测试装置和方法以实现对动态接触角的测量分析。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种快速测量液滴动态接触角的装置及方法，该装置结合了图形分析技术与水动力学分析方法，通过测量液滴少数特征状态的接触角，实现了液滴动态接触角与界面流速关系的快速测量拟合功能。该设备结构简单，扩展性强，操作方便。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种快速测量液滴动态接触角的装置，包括相机、注液装置和样品台，其特征在于：所述样品台包括竖直方向设置的外框架和安装在外框架内并能在外框架所在平面内自由转动的圆形平板，所述圆形平板上设有用于夹持两个待测固体样品薄片的至少两个弹簧夹，两个所述固体样品薄片与圆形平板之间设有垫块，两个待测的固体样品薄片平行夹持，在两个待测的固体样品薄片之间形成供液体流过的通道，所述注液装置用于向通道内注入液体，所述相机的拍摄方向与圆形平板所在平面垂直。

作为改进，所述快速测量液滴动态接触角的装置还包括光源，所述光源和相机分别分布于样品台两侧，其中相机位于待测固体样品薄片一侧，所述圆形平板为透明平板。

作为改进，所述快速测量液滴动态接触角的装置还包括光学平板，所述相机、样品台和光源依次通过连接件安装在光学平板上。

作为改进，所述光学平板上设有用于安装相机、样品台和光源的阵列螺纹孔，通过选择不同的螺纹孔调节相机、样品台和光源的相对位置。

作为改进，所述注液装置包括依次相连的注射泵、注液管和毛细针管，所述毛细针管用于插入通道内注液。