真空、控溫條件下界面張力和接觸角值的測量方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種界面參數(shù)的測定裝置及測定方法，具體為一種用于真空及控溫條 件下測試界面張力和接觸角值的測量裝置和方法，屬于界面化學(xué)分析領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 液-液界面張力、液-氣表面張力以及固-液接觸角值等基本指標是表征物質(zhì)物 理化學(xué)性質(zhì)的基本參數(shù)。接觸角是指在固體水平平面上滴上一小滴液滴，固體表面上的 固一液一氣三相交界點處，其氣-液界面和固-液界面兩切線把液相夾在其中時所形成的 角度，見附圖1。接觸角測試是分析固-液界面物理化學(xué)性質(zhì)的最主要手段，通過測試所得 到的接觸角值，經(jīng)過Equation of state算法，僅使用一種液滴就可以非常準確的分析得出 固體的表面張力值(達因值)。而液-液界面張力以及液-氣表面張力的測試也是物理化學(xué) 分析中最主要的物性指標。通過理論分析我們知道，壓力和溫度是影響物質(zhì)表面化學(xué)性質(zhì) 的最主要兩個指標。真空條件下測試接觸角和界面張力的特殊性在于：抽真空會將液體迅 速吸收。因此，現(xiàn)有專利中的一般性的理論上的解決方案根本無法滿足這方面需求。如中 國專利ZL200910034768.X《一種控溫濕同步測量液滴溫度、表面張力、接觸角的裝置》以 及ZL201210127093. 5《一種控溫、控濕、控壓條件下測量液滴接觸角和滾動角的裝置》，描述 了一種控溫、控濕、控壓條件下測量液滴接觸角和滾動角的裝置，是一種比較模糊的理論性 描述，具體實施細節(jié)也是概括性描述，從實施來看，特別是在真空條件下，沒有可操作性。
[0003]目前，接觸角和界面張力測試儀器通常均是標準設(shè)計的儀器。如現(xiàn)有專利資料 庫中《基于高速圖像處理的液體表界面動態(tài)特性測量分析儀》專利號=200610050811. 8和 200620103753. 6,《一種靜態(tài)接觸角的自動檢測方法》專利號201010288857. X，《接觸角及表 面能測量裝置》專利號=201010600278. 4,《測量接觸角裝置》專利號：200710142656. 7,《一 種自潔玻璃接觸角的在線測量方法》專利號=200710008521. 1等。
[0004] 在接觸角和界面張力的算法上，中國專利資料有部分提及的內(nèi)容與本發(fā)明的內(nèi) 容上有一定的相似，但在具體
【發(fā)明內(nèi)容】
的實現(xiàn)上存在較大差異。如，《一種固體表面液滴 接觸角的測量方法及裝置》專利號=200910136101.0。在具體實現(xiàn)方式上，該專利采用了 Young-Laplace方程的改寫的有離散的二階偏微分方程求解曲線并采用打靶法擬合接觸角 角度值的，僅僅提出了一個簡單的液體接觸角測試的Young-Laplace方程擬合的概念，具 體實施過程的可能不高。中國專利ZL201210566095.4《基于液滴輪廓曲線四測量點的液 體界面張力的測量方法》中提出了一種基于液滴輪廓曲線四測量點的液體界面張力的測量 方法，該方法是采用圖像采集設(shè)備攝制液滴在輔助測試平臺上表面上鋪展的圖片或液滴懸 掛于水平放置的軸對稱輔助支承表面下的圖片，對圖片進行處理提取液滴輪廓曲線；在液 滴輪廓曲線上選取四個測量點，測量相鄰測量點間的堅直距離、每個測量點處過測量點的 水平線與液滴輪廓曲線的交點間的距離、每個測量點處的液滴輪廓曲線的切線與水平線之 間的夾角；根據(jù)液滴輪廓曲線計算出與四個測量點相關(guān)的液體體積；根據(jù)公式計算出液體 的界面張力。算法中僅僅是對輪廓部分進行了幾何換算，與本專利的創(chuàng)新點完全不一致。 ZL201210594516. 4《一種靜態(tài)接觸角的計算方法》提出了一種基于Young-Laplace方程仿 真產(chǎn)生不同體積和接觸角的液滴邊緣；計算仿真產(chǎn)生的液滴邊緣的接觸角，進而獲得計算 所得接觸角、液滴體積與真實接觸角的關(guān)系；拍攝真實液滴圖像，計算圖像的接觸角；根據(jù) 計算所得接觸角、液滴體積與真實接觸角的關(guān)系以及實際圖像的接觸角，采用插值法或類 似方法獲得準確的接觸角。這是一種簡單的應(yīng)用，而沒有涉及具體的算法。
[0005] 作為光學(xué)法界面化學(xué)分析的一種方法，影像分析法界面化學(xué)分析技術(shù)在世界上 有類似技術(shù)，通常以Young-Laplace方程擬合的形式出現(xiàn)。但由于算法和計算機發(fā)展影 響很大，這些Young-Laplace擬合或采用Bashforth-Adams查表法或簡單的經(jīng)驗求解 (以 Bashforth. F、Adams. J. C、Andreas、S. Hartland 等為代表，或米用基于 DS/DE 或少 數(shù)點（30°、45°、60°角度值）坐標比值的Select plane快速界面張力測試的算法，以 Springer、F. K. Hansen等為代表，或采用ALFI算法并以經(jīng)驗假設(shè)的簡單影像分析法，以 Rotenberg、A. W. Neumann、0.1 . del. RI0為代表，均有明顯缺陷，與本專利提及的完全真實液 滴輪廓（RealDrop?)的影像分析法有一定的區(qū)別。
[0006] 國外專利中，日本專利JP63210748A《接觸角杉J： tz界面張力〇自動測定方法》提 出一種基于寬高法計算接觸角值的方法與本專利有明顯區(qū)別；美國專利US5615276《METH0D OF MEASURING LOW INTERFACIAL TENSION BY PENDANT DROP DIGITIZATION》中，提出了一 種Young-Laplace求解得出界面張力和接觸角的方法，其采用的核心算法與F. K. Hansen 等人相同，是基于Select Plane算法下的Young-Laplace擬合技術(shù)，所以，與本專利所提 及的算法有區(qū)別。美國專利 US5479816《CAPTIVE DROPLET INTERFACIAL TENSIOMETER AND METHODS OF USE THEREOF》提出了一種非常特殊的Young-Laplace方程的解法，與 本專利提及的解決法完全不一樣。而其他專利如US4688938、US4953389、US5080484、 US5115677、US5143744、US5394740、US7952698B2、US2003/0049863/A1、US2005/0012894/ A1、W00122058A1、US8151635B2均是一些特殊的接觸角測試裝置和應(yīng)用，與本專利的創(chuàng)新點 完全不同。
[0007]美國專利 US494276〇 《APPARATUS FOR THE MEASUREMENT OF INTERFACIAL TENSION》提出了一個相對近似的有壓力條件下測試界面張力的一個裝置，但其專利主要創(chuàng) 新點在于可以通過一個特殊設(shè)計的可在線更換針頭的機構(gòu)測試高壓條件下液-氣界面張 力的方法，雖然提出了需要用到兩個增壓泵，但是其工作原理為通過壓力循環(huán)的方式完成 壓力控制，而不是注入雙向液，通過仿真分析，我們也可進一步得出結(jié)論，這樣的裝置的密 封性很一般，無法完成高壓條件下的密封要求；而且，液-氣界面張力測試通常壓力增加到 一定數(shù)量，氣體即液化，根本無法完成測試。從換針頭的機構(gòu)設(shè)計來看，這樣的裝置的測試 算法是最基礎(chǔ)的select plane算法，針頭的直徑直接會影響到測值結(jié)果。所以，專利中提 出的內(nèi)容相對比較落后，可實施性一般，也無法解決前述的超高壓、控濕、高精度界面張力 和接觸角測值的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題及不足，本發(fā)明提供了一種用于解決真空和控溫條件 下的界面張力和接觸角測試裝置及測試方法，該裝置由石英玻璃制成的雙側(cè)觀察窗的真空 控溫腔體、真空連接配件、注射泵及其控制部件、帶遠心鏡頭的攝像機和平行光源組成。通 過拍攝液滴的輪廓圖像后，采用擬合Young-Laplace方程測試得到接觸角和界面張力值。 為實現(xiàn)真空和控溫(最高溫度-50-200度，取決于控溫的恒溫水槽的溫度）條件下完成 高精度測試有粘樣樣品體系的接觸角和界面張力的目的，本發(fā)明提供一種真空、控溫條件 下界面張力和接觸角值的測量方法和裝置，具體
【發(fā)明內(nèi)容】
如下： 1、設(shè)計一個綜合了通用條件和真空控溫條件影像法接觸角和界面張力測試的結(jié)構(gòu)布 局，真空、控溫條件下界面張力和接觸角值的測量裝置，如附圖2所示，包括：壓帽，上蓋板， KF50標準接口，石英玻璃觀察窗，毛細管，壓帽，真空閥門，微量進樣器，注射泵，垂直向移動 一維光學(xué)平移臺，支架，遠心鏡頭，鏡頭固定環(huán)，攝像機，電氣控制箱(包括步進電機驅(qū)動器、 運動控制卡、光源控制電路等)，LED平行光源，XYZ三維光學(xué)平移臺，KF16真空接口，二維水 平調(diào)整平臺，針頭，四個水平調(diào)整腳，相機固定支架，真空腔體的后方提供有溫度傳感器和 循環(huán)水/導(dǎo)熱油快速接口，在注射泵控制結(jié)構(gòu)中提供了一個控制針頭左右位置的XY兩維光 學(xué)平移臺。
[0009]上述水平調(diào)整腳21固定于機架下端四角，機架兩上設(shè)置有支架11和電氣控制箱 15,水平光源16設(shè)置于電氣控制箱一側(cè)，支架11上設(shè)置有遠心鏡頭12、鏡頭固定環(huán)13、攝 像機14,鏡頭固定環(huán)13、攝像機14下方設(shè)置一個相機固定支架22,支架11上端設(shè)置有垂直 向移動一維光學(xué)平移臺10,垂直向移動一維光學(xué)平移臺10上固定有注射泵9,注射泵9上 連接一個XY兩維光學(xué)平移臺，注射泵