CN110376103B - 一种液滴表面张力测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及新材料研发领域，一种液滴表面张力测试装置，包括旋转马达、旋转盘、支撑台、两根固定杆、摄像机、光源、计算机、金属环、待测液滴、电流源、电缆和电刷，旋转马达可调速，旋转盘包括正面、后面和侧面，侧面一周具有两个环形电极并分别与电流源的正极和负极通过电缆、电刷连接，旋转盘后面同轴连接旋转马达，旋转盘正面边缘处固定有支撑台，旋转马达带动旋转盘在xy平面内旋转，两根固定杆平行地安装于支撑台上，并使两根固定杆与旋转盘平行，两根固定杆通过支撑台分别与旋转盘侧面的两个环形电极导通，金属环两端分别与两根固定杆的上端连接导通，金属环中吸附有待测液滴，电流源能对金属环通电流，使金属环产热并使待测液滴升温。
Description
技术领域
本发明涉及新材料研发领域，尤其是一种能够精确确定液滴表面张力的一种液滴表面张力测试装置。
背景技术
液体的表面张力能够反映液体的某些特性，在科学研究及工程应用上都具有重要的意义，测量液体表面张力最常用的方法是Wilhelmy方法，其通过测量与液体表面接触的薄片的增重来确定液体的表面张力，其缺点是在测量高表面张力的液体时较为耗时；通常采用谱学方法以及激光干涉操纵方法来测量液体的表面张力，如采用悬挂液滴方法来对较少量的液体进行表面张力测量，其通过液滴形状的扭曲来确定液体表面的张力，但是只能测量某些液体的较低的表面张力，特别是对于高表面张力、高粘度、高温的液体，比如熔融的金属、融化的玻璃、高分子聚合物等，无法高精度地测量其表面张力，所述一种液滴表面张力测试装置能够解决问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明一种测量液体表面张力的装置，基于旋转测量方法，适用于高表面张力及高粘度的液体。
本发明所采用的技术方案是：
所述一种液滴表面张力测试装置包括旋转马达、旋转盘、支撑台、两根固定杆、摄像机、光源、计算机、金属环、待测液滴、电流源、电缆和电刷，xyz为三维坐标系，旋转马达可调速，旋转盘为圆盘且包括正面、后面和侧面，侧面一周具有两个环形电极，两个环形电极分别与电流源的正极和负极通过电缆、电刷连接，旋转盘的后面同轴连接于旋转马达，旋转盘的正面的边缘处固定有支撑台，旋转马达能够带动旋转盘在xy平面内旋转，两根固定杆互相平行地安装于支撑台上，并使两根固定杆与旋转盘平行，两根固定杆通过支撑台分别与旋转盘侧面的两个环形电极导通，金属环两端分别与两根固定杆的上端连接并导通，金属环由直径为0.2毫米的金属双股线绕制而成，金属环中吸附有待测液滴，电流源能够对金属环通电流，使得金属环产热并使待测液滴升温；摄像机、光源和计算机均位于旋转盘的正面一侧，摄像机和光源均电缆连接计算机，使得摄像机能够对支撑台上的金属环及待测液滴成像，并将成像的信息输入至计算机；旋转盘的半径为30毫米；金属环的直径为1.3毫米。
采用所述一种液滴表面张力测试装置测量液滴表面张力的步骤为：
步骤一，采用实验室用移液器将5微升待测液体转移至金属环中以形成待测液滴，待测液体的密度ρ为已知；
步骤二，调节摄像机位置，使其能够对金属环及待测液滴成像；
步骤三，开启旋转马达，使得旋转盘绕其中心轴在xy平面内产生旋转，从而待测液滴绕旋转盘中心轴在xy平面内旋转，旋转马达的旋转速度为ω0；
步骤四，摄像机采集待测液滴的成像信息并输入至计算机，选择并分析待测液滴在每个旋转周期中位于旋转盘最下侧时的成像信息，通过分析所述成像信息，得到待测液滴表面平均曲率及其变化；
步骤五，调节旋转马达的转速，分别在旋转马达的旋转速度为ω0、1.2ω0、1.5ω0、1.8ω0和2.0ω0的条件下重复步骤三和步骤四；
步骤六，根据步骤五得到不同旋转马达转速值下的待测液滴表面平均曲率的差值ΔH，ΔH表示待测液滴上任意两个高度相差h的点的平均曲率的差值；
步骤七，将步骤六中数据绘制成图，纵坐标为待测液滴表面平均曲率的差值ΔH，横坐标为分别在旋转盘的不同转速条件下测得的待测液滴的加速度g/与h的乘积g/h，并进行线性拟合，斜率的拟合值为ρ/2σ，最终计算得到待测液滴的表面张力σ。
本发明的有益效果是：
本发明装置能够对高表面张力或高粘度的液体进行表面张力测量，测量精度较高，成本低，测量所需的样品剂量小，并能够用于对加热液滴进行测量。
附图说明
下面结合本发明的图形进一步说明：
图1是本发明示意图；
图2是旋转盘的正面示意图；
图3是金属环放大俯视示意图。
图中，1.旋转马达，2.旋转盘，3.支撑台，4.两根固定杆，5.摄像机，6.光源，7.计算机，8.金属环，9.待测液滴。
具体实施方式
如图1是本发明示意图，包括旋转马达(1)、旋转盘(2)、支撑台(3)、两根固定杆(4)、摄像机(5)、光源(6)、计算机(7)、金属环(8)、待测液滴(9)、电流源、电缆和电刷，xyz为三维坐标系，旋转马达(1)可调速，旋转盘(2)为圆盘且包括正面、后面和侧面，侧面一周具有两个环形电极，两个环形电极分别与电流源的正极和负极通过电缆、电刷连接，旋转盘(2)的后面同轴连接于旋转马达(1)，旋转盘(2)的正面的边缘处固定有支撑台(3)，旋转马达(1)能够带动旋转盘(2)在xy平面内旋转，摄像机(5)、光源(6)和计算机(7)均位于旋转盘(2)的正面一侧，摄像机(5)和光源(6)均电缆连接计算机(7)，使得摄像机(5)能够对支撑台(3)上的金属环(8)及待测液滴(9)成像，并将成像的信息输入至计算机(7)。
如图2是旋转盘的正面示意图，图中为在一个旋转周期中待测液滴(9)位于旋转盘(2)的最下侧时的瞬间，旋转盘(2)的半径为30毫米，两根固定杆(4)互相平行地安装于支撑台(3)上，并使两根固定杆(4)与旋转盘(2)平行，两根固定杆(4)通过支撑台(3)分别与旋转盘(2)侧面的两个环形电极导通，金属环(8)两端分别与两根固定杆(4)的上端连接并导通，金属环(8)中吸附有待测液滴(9)，待测液滴(9)直径的典型尺寸为1毫米，电流源能够对金属环(8)通电流，使得金属环(8)产热并使待测液滴(9)升温。
如图3是金属环放大俯视示意图，金属环(8)由直径为0.2毫米的金属双股线绕制而成，金属环(8)的直径为1.3毫米。
旋转液滴测量表面张力的原理：采用传统的悬挂液滴方法来测量液滴表面张力时，根据杨-拉普拉斯等式有2σΔH＝ρgh，其中σ表示待测液滴的表面张力，ΔH表示待测液滴上任意两个高度相差h的点的平均曲率的差值，ρ表示待测液滴的液体密度，分析待测液滴的实时图像，选择10个待测液滴表面的点作为采样点，并通过图像分析来得到各采样点的曲率，最终得到待测液滴的表面张力。等式表明了ΔH或ρgh增加能够提高液滴表面张力测量的精度，当待测液滴的尺寸足够大且表面张力较低，液滴在其重力的作用下逐渐发生形变并最终滴下，这种情况下能够较为精确地测量表面张力，但是，对于高表面张力的液体，现有的方法的测量精度较低，而在本发明装置中，对待测液滴进行竖直平面内的旋转，待测液滴在受到的离心力与其重力的共同作用下，扭曲形变增强，当液体的粘度足够低且液滴在旋转一周的时间内就发生形变的情况下，上述杨-拉普拉斯等式可以表示为2σΔH＝ρ(ω2L±g)h，其中ω和L分别为待测液滴绕旋转盘(2)中心轴旋转的旋转速度和旋转半径，当待测液滴位于旋转盘(2)的底部和顶部时分别施加正号和负号，在此h小于L的千分之一。
如果待测液滴的粘度足够高且其形变的特征时间常数大于旋转盘(2)的旋转周期一千倍以上，其重力的作用可以被忽略，杨-拉普拉斯等式可以表示为2σΔH＝ρω2Lh，对于尺寸较小的待测液滴，其粘滞力能够克服其惯性，其运动的特征时间常数近似于Rη/σ，其中R是待测液滴半径，η是待测液滴的粘度，可以得到当ω＞＞σ/Rη时，2σΔH＝ρω2Lh近似成立，举例来说，对于表面张力σ＝0.1牛/米量级的待测液滴，设待测液滴半径R＝1毫米，粘度η＝1000帕斯卡·秒，则待测液滴绕旋转盘(2)中心轴旋转的旋转速度ω需要大于100次/秒，旋转马达(1)采用直流电机或变频调速电机。
具体测量方法解释：采用摄像机(5)在待测液滴(9)的旋转周期中的某一时刻来探测其形状，比如，在待测液滴(9)旋转至旋转盘(2)的最下侧，通过待测液滴(9)形状的变化来判断待测液滴(9)是否处于平衡态。测量的关键是通过观测待测液滴(9)形状来确定其平均曲率，由于待测液滴(9)在旋转，只能从一个方向来进行观测，因此，平均曲率只能通过两个主要的曲率的平均来得到，本发明采用固定杆(4)与金属环(8)的结构，通过金属环(8)的几何边界限制来使得待测液滴(9)的形状为对称，且金属环(8)的平面与待测液滴(9)绕旋转盘(2)的中心轴旋转时受到的离心力的方向垂直；而且，能够对金属环(8)通电流，使得其产热并对吸附于金属环(8)内的待测液滴(9)升温，特别是对于小尺寸液滴的温度控制能力较好，因此，本发明能够用于对如融化的玻璃及高分子聚合物等进行高温测量。
测量采用的待测液滴(9)的典型尺寸的直径为1毫米，在旋转中通常只需要几十秒来使得液滴形状稳定，比传统的悬挂方法测量的时间短不少。通过改变待测液滴(9)的旋转速度，来对同一个待测液滴(9)进行测量，得到不同程度的扭曲形变，即能够通过多次测量来得到更为精确的表面张力，通过拟合测得的数据，绘制成图，纵坐标为待测液滴(9)表面平均曲率的差值ΔH，横坐标为分别在旋转盘(2)的不同转速条件下测得的待测液滴(9)的加速度g/与h的乘积g/h，根据公式2σΔH＝ρ(ω2L±g)h，斜率的拟合值表示为ρ/2σ。
所述一种液滴表面张力测试装置包括旋转马达(1)、旋转盘(2)、支撑台(3)、两根固定杆(4)、摄像机(5)、光源(6)、计算机(7)、金属环(8)、待测液滴(9)、电流源、电缆和电刷，xyz为三维坐标系，旋转马达(1)可调速，旋转盘(2)为圆盘且包括正面、后面和侧面，侧面一周具有两个环形电极，两个环形电极分别与电流源的正极和负极通过电缆、电刷连接，旋转盘(2)的后面同轴连接于旋转马达(1)，旋转盘(2)的正面的边缘处固定有支撑台(3)，旋转马达(1)能够带动旋转盘(2)在xy平面内旋转，两根固定杆(4)互相平行地安装于支撑台(3)上，并使两根固定杆(4)与旋转盘(2)平行，两根固定杆(4)通过支撑台(3)分别与旋转盘(2)侧面的两个环形电极导通，金属环(8)两端分别与两根固定杆(4)的上端连接并导通，金属环(8)由直径为0.2毫米的金属双股线绕制而成，金属环(8)中吸附有待测液滴(9)，电流源能够对金属环(8)通电流，使得金属环(8)产热并使待测液滴(9)升温；摄像机(5)、光源(6)和计算机(7)均位于旋转盘(2)的正面一侧，摄像机(5)和光源(6)均电缆连接计算机(7)，使得摄像机(5)能够对支撑台(3)上的金属环(8)及待测液滴(9)成像，并将成像的信息输入至计算机(7)；旋转盘(2)的半径为30毫米；金属环(8)的直径为1.3毫米。
本发明装置采用旋转液滴的方法来测量液体表面张力，适用于高表面张力及高粘度的液体，测量所需的液体样品剂量在微升量级，且具有加热功能，能够对融化的玻璃及高分子聚合物等进行高温测量。
Claims (3)
1.一种液滴表面张力测试装置，包括旋转马达(1)、旋转盘(2)、支撑台(3)、两根固定杆(4)、摄像机(5)、光源(6)、计算机(7)、金属环(8)、待测液滴(9)、电流源、电缆和电刷，xyz为三维坐标系，旋转马达(1)可调速，旋转盘(2)为圆盘且包括正面、后面和侧面，侧面一周具有两个环形电极，两个环形电极分别与电流源的正极和负极通过电缆、电刷连接，
其特征是：旋转盘(2)的后面同轴连接于旋转马达(1)，旋转盘(2)的正面的边缘处固定有支撑台(3)，旋转马达(1)能够带动旋转盘(2)在xy平面内旋转，两根固定杆(4)互相平行地安装于支撑台(3)上，并使两根固定杆(4)与旋转盘(2)平行，两根固定杆(4)通过支撑台(3)分别与旋转盘(2)侧面的两个环形电极导通，金属环(8)两端分别与两根固定杆(4)的上端连接并导通，金属环(8)由直径为0.2毫米的金属双股线绕制而成，金属环(8)中吸附有待测液滴(9)，电流源能够对金属环(8)通电流，使得金属环(8)产热并使待测液滴(9)升温；摄像机(5)、光源(6)和计算机(7)均位于旋转盘(2)的正面一侧，摄像机(5)和光源(6)均电缆连接计算机(7)，使得摄像机(5)能够对支撑台(3)上的金属环(8)及待测液滴(9)成像，并将成像的信息输入至计算机(7)。
2.如权利要求1所述的一种液滴表面张力测试装置，其特征是：旋转盘(2)的半径为30毫米。
3.如权利要求1所述的一种液滴表面张力测试装置，其特征是：金属环(8)的直径为1.3毫米。
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