CN106501134A

CN106501134A - 小角度接触角的精确测量方法

Info

Publication number: CN106501134A
Application number: CN201611228803.8A
Authority: CN
Inventors: 吴志远; 王淑卉; 王龙
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-12-27
Filing date: 2016-12-27
Publication date: 2017-03-15

Abstract

小角度接触角的精确测量方法，从试样上方成像；采用释放平行光的Led面光源；Led光源整体亮度一致；Led光源面积为测试试样面积1.2倍以上；入射角和反射角均小于45度；通过平行光在试样表面的聚焦，在photoshop中，容差20以下选择所有试样背景，以便润湿液体与试样背景的区分；利用液滴表面散射和试样表面平行反射间的差异来实现液滴的成像；液滴所占面积的计算是以液滴总像素占试样总像素的比例或者半径与实际试样长度间的比例间接计算而得；考察液滴面积后，通过液滴面积计算液滴半径，然后计算接触角。小接触角的精确评价是难以攻克的世界性难题，本发明实现对小接触角精确评价。

Description

小角度接触角的精确测量方法

技术领域：

液体在固体表面的润湿现象是自然界一种非常重要的自然现象，对人们的生产和生活具有非常重要的影响。本专利通过改变成像方向以及完备的辅助方法来解决小角度润湿无法精确测量的问题。

背景技术

当液体与固体接触时，液体会沿着固体表面向外扩展，同时***中原来的固气界面和液气界面逐渐的被新的固液界面取代，这一过程称为润湿。液体对固体表面润湿的程度称为固体表面的润湿性。

润湿性是固体表面的重要特性之一，在工农业生产和人们日常生活中发挥着重要的作用，比如石油开采、农药喷洒以及织物防水与洗涤等。表面润湿性主要取决于固体表面粗糙度和表面自由能，其大小通常由液滴与固体表面的接触角来衡量。在平衡状态下，在固体、液体和气体三相交界处分别做固体和液体表面的切线，两条切线在液体内部所形成的夹角为接触角(图1中θ角)。接触角的精确测量对于相关领域的研究具有非常重要的作用。

接触角测量仪是接触角测量的重要设备。目前，常用的接触角测量为从侧面成像，直接读取接触角,如图2所示：

这种测量方法的特点是沿试件表面水平方向直接取景，测试方法直接不存在理论误差。已成为目前接触角测量的主要方法。但当接触角较小液滴直径较大时，液滴边缘景深随着液滴半径的增长而增加(如图3所示)。并且由于液体高度有限，无法提供足够的光线反射，液滴边缘成像将出现较大误差，使得最终测量误差将成倍增长。

发明内容：

基于上述原因，目前接触角测试装备在10下即会产生较大的误差，接触角越小则测量误差越大。当精度要求不高，接触角小于5-7度时，研究人员往往认为液体完全润湿，不再进行深入研究。而实际上很多液体尽管都可以获得较小的接触角，但润湿能力还是具有一定差异的。在近似液体中优中选优，区分特定表面上最佳的润湿介质，在超亲表面润湿等领域的研究中至关重要，但这需要更加先进的和高精度的测量方法作为支撑。目前的测试机构尽管在光源、测试方法和平台的稳定性等领域进行了不懈的努力，但由于测试方法的局限，小接触角的精确评价，仍然是一个难以攻克的世界性难题。克服上述问题，对小接触角精确评价是本专利的主要出发点。

小角度接触角的精确测量方法，其特征在于：从试样上方成像；

接触角测试光源及位置包括以下四个要素：

a)释放平行光的Led面光源；

b)Led光源整体亮度一致，偏差不大于5％；

c)Led光源面积为测试试样面积1.2倍以上；

d)入射角和反射角均小于45度；

通过平行光在试样表面的聚焦，在photoshop中，容差20以下选择所有试样背景，以便润湿液体与试样背景的区分；利用液滴表面散射和试样表面平行反射间的差异来实现液滴的成像；液滴所占面积的计算是以液滴总像素占试样总像素的比例或者半径与实际试样长度间的比例间接计算而得；考察液滴面积后，通过液滴面积计算液滴半径，然后计算接触角。

进一步，对接触角小于10度以下的小角度润湿进行评价。

进一步，接触角测量实现特定时间点的单次测量要求，或者实现某一设定时间段下液滴润湿状态的动态评价；动态评价时，评价时间不小于1分钟，测试次数不少于5次。

附图说明

图1接触角示意图

图2常用接触角测试取景方向设置

图3接触角检测景深随液滴半径的变化

图4接触角取景方向

图5液滴成像原理图

图6润湿液滴的成像图片

图7液滴区分效果图

图8软件设定参数

图9正丁酸在碳化硅陶瓷表面的接触角随时间变化情况

图10处理后的图片

具体实施方式

1取景方向的设置

针对上面存在的问题，对测试原理进行改进设计，由侧面成像改为从试样上方成像，从而方便地获得液滴铺展后的整个液滴俯视图，然后再利用液滴的面积进行求解。这样设计解决了小角度接触角无法精确成像的问题。具体取景方向如图4所示：

本测试方法由普通接触角测试中的侧面成像改为从试样上方成像，排除了景深对成像的影响，从而容易获得液滴铺展后的整个液滴形态，精确掌握小角度润湿液滴的润湿状态。

2光源照射方法原理及设计

试剂滴落在试样上，大多液滴为透明的，与样片颜色近似，无法清晰成像。在试验中提供一个面光源，使之覆盖整个试样，液滴和试样反射光线角度不同，从而在相机内清晰成像。原理图如图5

其中，θ和θ′为入射角和反射角。

接触角测试光源需要特别设计，其最重要的特征包括以下几个要素：

a)可以释放平行光，而不是点光源散射。

b)Led光源整体亮度一致，偏差不大于5％。

c)Led光源面积大于测试试样面积1.2倍以上。

d)入射角和反射角小于45度。

3、润湿样片的获得方法。

在图5镜头处放置数码成像设备，来获得液体在试样表面的润湿情况。由于本测试需要进行连续拍摄，因此，摄像设备应具备自动定时拍摄功能，并且像素满足清晰成像的要求(像素大于200万)。在数码设备发达的今天，相关设备很多。例如，通用的单反相机以及专用的数码成像设备都可以实现这样的功能。由于不是发明所保护的权利内容，这里不再深入介绍。通过平行光在试样表面的聚焦，使得润湿试样拍摄后表面颜色接近一致(在photoshop中容差小于20时,可以提取所有试样背影颜色),如图6所示。

如果是考察某一时刻的润湿情况，仅需拍摄一张照片即可。如需考察液滴在试样表面的动态润湿过程，则需要在等间隔时间条件下拍摄多张照片。考察动态润湿过程时，观测时间应大于1分钟，拍摄照片张数不少于5张。

3液滴润湿面积的提取

在photoshop中，采用以下方法去除液滴以外区域。1、人工选择非润湿样片以外区域并去除；2、选用容差为20，用魔术棒工具选择所有润湿样片区域并去除。区分后液滴形态如图7所示:

3接触角的计算

接触角的计算包括以下几个步骤：

通过PS软件中标尺功能测量图6中被润湿样片在图片中的长度的像素值，并利用长*宽计算被润湿样片总像素。

测量被润湿样片的实际长度和宽度，计算样片实际面积。

在PS软件中打开直方图模块，选定液滴并读取图7中4滴液滴的总像素值。

通过液滴与样片的像素比可以求得4滴液滴的面积。将4滴液滴的面积除以4则得到每滴液滴的平均面积。

根据圆的面积公式：A＝πr²，即可求得液滴半径r。实际的半径值也可以通过半径与样片长度的比例关系计算。

将半径r带入公式：

即可求得试剂在试样表面的接触角。

其中，v为液滴体积。该值为前期测试每滴液滴体积的平均值；r为液滴半径；θ为接触角。

由于式1为一元三次方程，需要适当的方法计算方程解。例如，利用Excel中的单变量求解法或者编程计算都可以实现这一目的。

案例:

测量正丁酸在碳化硅陶瓷表面的接触角。

1、实验环境

(1)温度设计

由于实验不仅仅针对单个实验目标，不同温度条件下有机化学试剂的表面张力和在固体表面的铺展性不同，为减小温度对润湿试验的测量结果造成的偏差，确保试验数据真实可靠，试验温度必须恒定。本实验中，实验场地和试剂温度人为设定为25度。同温度条件下，不同试剂可以展现出更好的可比性。

(2)无尘环境

试验过程中，试剂液滴暴露在空气中，不可避免的空气中的粉尘会落在试液液滴上，影响液滴的铺展状况。为减小粉尘颗粒对润湿试验的测量结果造成的偏差，确保试验数据真实可靠，将试验需在无尘环境下进行。本实验在封闭环境下，进行除尘工序后进行。

(3)试样表面处理

润湿表面需要尽可能地去除表面粘附的外来物质。本案例中的碳化硅陶瓷试样经过超声清洗以及高温处理。实验结果仅对本试样负责。

2、测试设备

摄像设备：佳能700D单反照相机

润湿测试平台：JGW-360r接触角测试平台以及微量进样***

光源：三段亮度可调LED光源

3测试过程及结果

(1)将单反相机装在相机支架上，与电脑连接，使用EOS Utility软件对相机进行联接。本测试设定相机参数如图8；

(2)将正丁酸吸入的微量进样器并固定于接触角测定仪微进给机构；

(3)对微量进样器每滴液体进行均值估算，测试滴数不小于50滴；

(4)将试样放置于试验平台设定位置，并进行对焦，同时调整平台高度，使试样与注射器之间保持合适距离；

(5)旋转螺旋旋钮，在样片上滴落4滴试剂，快速平稳将样片移至摄影区；

(6)点击EOS Utility软件开始按钮，进行拍摄，拍摄间隔10秒，连续拍摄15张(如图9所示)；

(6)利用photoshop软件，将图9中照片润湿部分进行提取。并记录相关计算信息。处理后的图片如图10所示：

(7)利用相关信息计算正丁酸在碳化硅陶瓷表面的接触角通过photoshop记录的辅助信息如表1所示：

表1接触角计算辅助信息表

体积	4.3微升
		试样长度像素	1350
试样实际长度	49.8
		长度像素与实际长度之比	27.10843

通过photoshop记录的润湿数据及计算结果如表2所示：

表2接触角计算信息表

从表2可以看出，正丁醇在碳化硅陶瓷表面的润湿随着时间的增加从初始的4.95度不断减小至2.9度并保持稳定。

应该强调的是，本次测试中，在碳化硅陶瓷表面最终保持稳定的接触角为2.9度，该接触角在传统接触角测试仪中是无法测量的。由于本专利采用俯视图进行测量，因此润湿面积越大，接触角越小，则测量精度越高，弥补了传统接触角测量方法的不足。

此外，测量接触角时，理论上应该在润湿液体稳定时进行，但不同的润湿液体到达稳定状态的时间是不同的。本专利采用定时测量的方法，可以较好地通过润湿过程的变化找到稳定的润湿状态。避免了过长的等待时间和液体挥发带来的接触角变化，提高了测量精度。

Claims

1.小角度接触角的精确测量方法，其特征在于：从试样上方成像；

接触角测试光源及位置包括以下四个要素：

a)释放平行光的Led面光源；

b)Led光源整体亮度一致，偏差不大于5％；

c)Led光源面积为测试试样面积1.2倍以上；

d)入射角和反射角均小于45度；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：对接触角小于10度以下的小角度润湿进行评价。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：接触角测量实现特定时间点的单次测量要求，或者实现某一设定时间段下液滴润湿状态的动态评价；动态评价时，评价时间不小于1分钟，测试次数不少于5次。