專利名稱：真實(shí)液滴法測(cè)試固-液動(dòng)、靜態(tài)接觸角的儀器和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用來測(cè)試接觸角的儀器及其檢測(cè)方法，更具體地說，是一種采用 真實(shí)液滴法測(cè)試固-液動(dòng)、靜態(tài)接觸角的儀器和方法。
背景技術(shù)：
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(biāo)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-液_氣三相交界點(diǎn)處，其氣_液界面和固_液界面兩切線把液相夾在其中時(shí)所形成的 角度，接觸角測(cè)試是分析固-液界面物理化學(xué)性質(zhì)的最主要手段，目前應(yīng)用較廣的測(cè)試方 法包括稱重法以及光學(xué)圖像分析法。傳統(tǒng)的接觸角測(cè)量方法，包括現(xiàn)在市場(chǎng)上的測(cè)量儀器提供的和學(xué)術(shù)、研究領(lǐng)域使 用的測(cè)量方法，除基于多項(xiàng)式或B-Spline曲線(注)的切線法外，幾乎都以假設(shè)液滴的輪 廓符合一定的數(shù)學(xué)模型，而且均為軸對(duì)稱的數(shù)學(xué)模型為前提，DropMeter軟件提供的廣義兩 次曲線法雖然容許液滴呈現(xiàn)非對(duì)稱，但其數(shù)學(xué)模型本身仍是軸對(duì)稱的，貌似非對(duì)稱的液滴 其實(shí)也只是這一軸對(duì)稱模型的一部分，在這樣的模型下，不但液滴左右兩邊的輪廓就整體 而言是耦合在一起的，而且其兩邊的接觸角也是互為影響的，真實(shí)世界的液滴其實(shí)在通常 情況下并不對(duì)稱，液滴的輪廓就整體而言雖然相互關(guān)聯(lián)，其接觸角沿著三相接觸線則并不 處處相同，液滴截面的左右兩邊的接觸角并不必須緊密相關(guān)，更多的情況下，它們各自受到 所處的局部環(huán)境的影響而顯示不同的值，尤其當(dāng)液滴受到另一外物如針頭(如用液滴增大 /縮小法測(cè)量前進(jìn)/后退接觸角)的干擾時(shí)，其左右兩邊的輪廓也可基本上相對(duì)獨(dú)立，相關(guān) 性微弱，基于真實(shí)液滴的這些特點(diǎn)，用傳統(tǒng)的這些軸對(duì)稱模型來擬合得到的液滴從而計(jì)算 出接觸角的值，其實(shí)在多數(shù)情況下都有點(diǎn)勉強(qiáng)，模型不能很好符合實(shí)際數(shù)據(jù)，從而導(dǎo)致得出 的結(jié)果與實(shí)際真實(shí)值有偏差，且偏差的大小取決于所用模型與實(shí)際數(shù)據(jù)(液滴形狀)的符 合程度符合程度愈差，偏差愈大。本發(fā)明所述的真實(shí)液滴法為光學(xué)圖像分析法的一種方法，在光學(xué)圖像分析法的接 觸角系統(tǒng)中，目前應(yīng)用最廣泛的為小球冠法(WH法)、Yoimg-Lapalace方程擬合法等，這些 方法均是假設(shè)固-液界面接觸形成的圖像是符合如小球冠或Yoimg-lapalace方程的，通過 計(jì)算方程涉及的敏感點(diǎn)進(jìn)而計(jì)算得出基于這個(gè)假設(shè)的接觸角值，這種計(jì)算得出的接觸角值 一旦遇到接觸角不規(guī)則(如動(dòng)態(tài)接觸角中前進(jìn)/后退角/滾動(dòng)角)或大液滴或特大(140 度以上)特小(10度以內(nèi))時(shí)，計(jì)算誤差大，真實(shí)液滴法采用了基于液滴真實(shí)邊緣坐標(biāo)點(diǎn)自 動(dòng)查找技術(shù)，擬合接觸點(diǎn)關(guān)鍵邊緣點(diǎn)符合某個(gè)曲線方程，結(jié)合擬合度因子分析擬合效果，最 終在接觸點(diǎn)位置求解曲線議程的斜率K并求得接觸角值，采用真實(shí)液滴法不受任何理論假 設(shè)所影響，依據(jù)液滴形成圖像的真實(shí)輪廓坐標(biāo)分析角度值，可用于自動(dòng)分析動(dòng)態(tài)接觸角值， 測(cè)值精度高，并可以自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)角度變化并顯示變化曲線，可作為納米材料、仿生材料研 制的強(qiáng)大分析工具，具有非常高的推廣價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一在于提供一種自動(dòng)測(cè)試固_液動(dòng)、靜態(tài)接觸角的真實(shí)液滴法。本發(fā)明的目的之二在于提供一種采用真實(shí)液滴法自動(dòng)測(cè)試固_液動(dòng)、靜態(tài)接觸角 的儀器。本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下1、提出一種接觸角分析方法，具體為(1)采用一定的數(shù)學(xué)算子(如CANNY)自動(dòng)查找實(shí)時(shí)捕捉的圖片中接觸角形成的液滴的輪廓邊緣；(2)自動(dòng)記錄下邊緣點(diǎn)的坐標(biāo)位 置；(3)按設(shè)置的曲線方程將查找的邊緣點(diǎn)自動(dòng)擬合成曲線，并得出曲線方程；(4)根據(jù)曲 線與實(shí)際坐標(biāo)點(diǎn)位置進(jìn)行匹配判斷，計(jì)算得出擬合度因子；(5)自動(dòng)求解固-液接觸點(diǎn)位置 的斜率K值，并進(jìn)而自動(dòng)計(jì)算得出接觸角的角度值。2、采用動(dòng)、靜態(tài)固_液接觸角分析軟件，該軟件具有如下功能(1)具有真實(shí)液滴 法靜態(tài)、動(dòng)態(tài)接觸角分析功能，軟件可自動(dòng)計(jì)算基于極性液體與非極性低能固體表面形成 界面條件下的固體表面自由能值；軟件可自動(dòng)計(jì)算固_液粘附功值；(2)可自動(dòng)控制電機(jī)運(yùn) 動(dòng)進(jìn)而控制液體按照設(shè)置好的流速、體積進(jìn)行擠出液體以及吸入液體動(dòng)作；(3)可自動(dòng)控 制機(jī)架(平品臺(tái)、鏡頭等)旋轉(zhuǎn)，以便形成滾動(dòng)角效果；(4)可觸發(fā)光學(xué)成像系統(tǒng)捕捉實(shí)時(shí) 圖片或影像文件；(5)具有數(shù)據(jù)庫管理功能，以便實(shí)時(shí)跟蹤并管理測(cè)值結(jié)果；(6)可將測(cè)試 數(shù)據(jù)管理并可將測(cè)得結(jié)果導(dǎo)出為其他數(shù)據(jù)格式的測(cè)值，如EXCEL、ACCESS、TXT、WORD、BMP、 JPG等等。3、提供一種可以于上述分析軟件相匹配的接觸角分析儀器，該接觸角分析儀器由 固體樣品臺(tái)及其控制裝置、液體進(jìn)液裝置及其控制裝置、光學(xué)成像系統(tǒng)及其控制裝置以及 固體樣品夾具、支撐架等部分組成；帶有二維水平調(diào)整功能的固體樣品臺(tái)裝到樣品臺(tái)控制 X向、Y向、Z向上方，并連接起來，連接好的帶X、Y、Z向控制及水平調(diào)整功能的樣品臺(tái)部件 裝到樣品臺(tái)旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)控制平臺(tái)下連接桿上，連接桿與鏡頭安裝部件相連通，成像系統(tǒng)CXD 及光學(xué)鏡頭安裝于鏡頭俯仰調(diào)整架上，并連接到旋轉(zhuǎn)臺(tái)的連接桿的連通桿上，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)固 定在機(jī)箱架上；旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，樣品臺(tái)、CCD及光學(xué)鏡頭均可以一起旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)表面用 激光雕刻上角度刻度值，微量進(jìn)樣器固定在進(jìn)樣器進(jìn)液及吸液控制部件上，進(jìn)樣器控制部 件與進(jìn)樣器X向控制、Y向控制、Z向控制相組裝，并固定在機(jī)箱架上。所述的固體樣品臺(tái)部分的功能包括固體樣品臺(tái)可手動(dòng)或電機(jī)控制X、Y、Z三個(gè)方 向移動(dòng)、水平控制以及樣品臺(tái)表面的安裝孔設(shè)計(jì)；液體進(jìn)樣裝置可為電機(jī)控制或手動(dòng)控制 條件下的注射泵或蠕動(dòng)泵，且進(jìn)樣裝置可手動(dòng)或電機(jī)控制X、Y、Z三個(gè)方向移動(dòng)；光學(xué)系統(tǒng) 包括一個(gè)0. 7-4. 5連續(xù)或固定放大倍率的鏡頭、模擬或數(shù)字C⑶或CMOS成像系統(tǒng)、LED可變 亮度背景光或同軸光以及可手動(dòng)控制鏡頭俯仰角度的一維水平控制平臺(tái)；固體樣品臺(tái)部分 與鏡頭部分連接在一起，并提供手動(dòng)或電機(jī)控制垂直旋轉(zhuǎn)功能；配件部分應(yīng)包括夾持纖維、 薄膜、紙張、鋁箔等材質(zhì)的夾具以及支起固體樣品的支架。4、設(shè)計(jì)與上述儀器相匹配的溫度控制系統(tǒng)，采用恒溫水槽作為溫控源，并用硅橡 膠管連接恒溫樣品池上的水循環(huán)接口，或采用電熱方式制成的腔體、半導(dǎo)體致冷片制成的 腔體等作為溫控源，制成裝有溫控源的加熱板，溫度傳感器裝在加熱板，樣品槽上方帶有針 頭插入導(dǎo)槽，溫控水槽兩側(cè)邊有石英玻璃，溫度傳感器用數(shù)據(jù)線與電腦相連，液體相進(jìn)樣器 的針頭通過針頭插槽進(jìn)入樣品池腔體內(nèi)部。
5、設(shè)計(jì)一套固定特殊樣品夾具，如薄膜或纖維的夾具，該夾具兩根導(dǎo)軌固定在一 個(gè)固定金屬塊上，一根絲鋼連接到固定金屬塊上，絲鋼可以轉(zhuǎn)動(dòng)；另一個(gè)不固定金屬塊中間 孔有螺紋并與絲鋼連接，另兩個(gè)孔套入固定好的導(dǎo)軌上，兩金屬塊攻有螺紋，表面粘附硅橡 膠墊片，用壓緊螺絲套連上壓緊片，將壓緊片壓緊在兩金屬塊上，絲鋼一端裝有旋柄，不固 定的金屬塊可沿導(dǎo)軌滑動(dòng)，使用時(shí)，將被測(cè)固體樣品旋轉(zhuǎn)于壓緊片與硅橡膠片中間，壓緊壓 緊螺絲，旋轉(zhuǎn)絲鋼，用絲鋼的拉開力拉緊樣品，從而實(shí)現(xiàn)固定樣品的目的。6、本發(fā)明提供了基于真實(shí)液滴法的一種靜態(tài)接觸角測(cè)試方法，其方法為(1)利 用上述接觸角分析儀器的進(jìn)樣器控制中的上下移動(dòng)(ζ向)完成液滴轉(zhuǎn)移操作；(2)利用上 述接觸角分析儀器的樣品臺(tái)控制的上下移動(dòng)(Z向)完成測(cè) 試不同厚度樣品以及水平保持 功能；(3)利用相機(jī)捕捉轉(zhuǎn)移到固體相表面液滴的外觀圖像；(4)采用真實(shí)液滴法，分析液 滴邊緣輪廓點(diǎn)坐標(biāo)，并利用圓曲線方程或二次曲線方程，擬合接觸角邊緣整條曲線，并以接 觸角位置計(jì)算斜率K，進(jìn)而計(jì)算得出接觸角值。7、本發(fā)明提供了基于真實(shí)液滴法的一種動(dòng)態(tài)接觸角測(cè)試方法，其方法為(1)利 用轉(zhuǎn)動(dòng)樣品臺(tái)讓液體相在固體相表面滾動(dòng)形成前進(jìn)、后退、滾動(dòng)角，利用真實(shí)液滴法分析形 成液滴的外觀輪廓邊緣，并分別擬合左、右接觸點(diǎn)往中間點(diǎn)一段距離間的曲線方程，分別計(jì) 算左、右接觸點(diǎn)位置的斜率K并進(jìn)而計(jì)算得出前進(jìn)、后退角值；人工或利用軟件自動(dòng)讀取上 述樣品臺(tái)旋轉(zhuǎn)控制臺(tái)的旋轉(zhuǎn)角度值，并將其記錄為滾動(dòng)角值；(2)利用擠出液體或吸入液 體的方式，在樣品上表面或自樣品中點(diǎn)鉆出的小孔下方形成前進(jìn)、后退角，利用真實(shí)液滴法 分析形成液滴的外觀輪廓邊緣，并分別擬合左、右接觸點(diǎn)往中間點(diǎn)一段距離間的曲線方程， 分別計(jì)算左、右接觸點(diǎn)位置的斜率K并進(jìn)而計(jì)算得出前進(jìn)、后退角值。本發(fā)明可以滿足高精度自動(dòng)測(cè)試靜態(tài)接觸角值、前進(jìn)/后退角/滾動(dòng)角等動(dòng)態(tài)接 觸角測(cè)值以及不規(guī)則的固_液接觸角值等復(fù)雜需求；本發(fā)明可全面提升固_液界面張力分 析的精度，操作簡單，應(yīng)用面廣泛，可廣泛應(yīng)用于精細(xì)化工、石油石化、油墨、墨水、油漆、涂 料、印刷、電力、電鍍、農(nóng)藥、納米材料、紡織品、清洗劑、助化劑、化妝品、食品、醫(yī)藥、PCB印刷 線路板、芯片、液晶屏(IXD、PDP、LED)、眼鏡、納米粉末等行業(yè)。


下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步進(jìn)行描述和說明；圖1 接觸角示意圖；圖2 本發(fā)明的接觸角分析儀器一實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖3 本發(fā)明的溫度控制系統(tǒng)一實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖4 本發(fā)明的樣品夾具部件一實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。圖2中1-微量進(jìn)樣器，2-可調(diào)亮度LED背景光，3_進(jìn)樣器進(jìn)液吸液控制部件， 4-進(jìn)樣器X向位移控制，5-進(jìn)樣器Y向位移控制，6-進(jìn)樣器X向位移控制，7-整機(jī)四腳水 平調(diào)整腳，8-樣品臺(tái)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，9-樣品臺(tái)Z向位移控制，10-樣品臺(tái)X向位移控制，11-樣品 臺(tái)Y向位移控制，12-樣品臺(tái)的水平調(diào)整機(jī)構(gòu)，13-CXD及光學(xué)鏡頭，14-鏡頭俯仰角度調(diào)整 架，15-樣品臺(tái)。圖3中1-上面板，2-針頭插槽，3-裝有加熱源的加熱板，4-水循環(huán)接口，5_溫度 傳感器，6-石英玻璃觀察窗。
圖4中1-導(dǎo)軌，2-絲鋼，3-鎖緊螺絲，4-不固定金屬塊，5_壓緊螺絲，6_壓緊片， 7-硅橡膠墊片，8-固定金屬塊。
具體實(shí)施例方式見圖1，采用真實(shí)液滴法測(cè)試固_液動(dòng)、靜態(tài)接觸角的方法或步驟為(1)通過軟件系統(tǒng)控制光學(xué)成像系統(tǒng)(CXD)，將液滴的實(shí)時(shí)影像捕捉到電腦中；(2)軟件系統(tǒng)自動(dòng)分析實(shí)時(shí)影像資料(如AVI、MPG等格式)的液滴輪廓線邊緣或 自動(dòng)分析連續(xù)捕捉的圖片資料(如BMP、JPG等圖片格式)，并利用圖像算法(如CANNY算 子等)，分析液滴輪廓線邊緣；(3)軟件自動(dòng)記錄下邊緣點(diǎn)坐標(biāo)值；(4)軟件自動(dòng)按用戶設(shè)置好的一項(xiàng)或幾項(xiàng)曲線擬合輪廓邊緣的曲線方程，如圓曲線方程r2= (x-dx)2+ (y-dy)2橢圓曲線方程:r2= (x-dx)2-(y-dy)2多項(xiàng)式曲線方程y= kArray
+ Σ (kArray [j] (χ-XShift)J)插值法曲線標(biāo)值插值以及平滑插值法，(5)將擬合點(diǎn)的坐標(biāo)與記錄的邊緣點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行二次匹配得出擬合因子，根據(jù)擬 合因子調(diào)整擬合效果；(6)對(duì)液滴進(jìn)行曲線擬合以后，在接觸點(diǎn)出求微分獲取斜率K，并計(jì)算得出接觸角 值，計(jì)算辦法如下^- I X = X。 Xq為接觸點(diǎn)的坐標(biāo)。見圖2，與分析軟件相配置的測(cè)試接觸角儀器，具有二維水平調(diào)整功能的樣品臺(tái)裝 到樣品臺(tái)控制X向、Y向、Z向上方，并連接起來，固定連接好的帶X、Y、Z向控制及水平調(diào)整 功能的樣品臺(tái)部件固定于樣品臺(tái)旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)控制平臺(tái)下連接桿上，連接桿與鏡頭安裝部件相 連通，成像系統(tǒng)CCD及光學(xué)鏡頭安裝于鏡頭俯仰調(diào)整架上，并連接到旋轉(zhuǎn)臺(tái)的連接桿的連 通桿上；旋轉(zhuǎn)平臺(tái)固定在機(jī)箱架上；旋轉(zhuǎn)這個(gè)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，樣品臺(tái)、CCD及光學(xué)鏡頭均可以一 起旋轉(zhuǎn)；旋轉(zhuǎn)平臺(tái)表面用激光雕刻上角度刻度值；微量進(jìn)樣器1固定在進(jìn)樣器進(jìn)液及吸液 控制部件上，進(jìn)樣器控制部件與進(jìn)樣器X向控制、Y向控制、Z向控制相組裝，并固定在機(jī)箱
1 ο見圖3，與上述儀器配套的溫度控制系統(tǒng)，采用恒溫水槽作為溫控源，并用硅橡膠 管連接恒溫樣品池上的水循環(huán)接口，或采用電熱方式制成的腔體、半導(dǎo)體致冷片制成的腔 體等作為溫控源，制成裝有加熱源的加熱板，溫度傳感器裝在加熱板，溫度傳感器可用數(shù)據(jù) 線與電腦相連，軟件系統(tǒng)通過PID控制程序控制溫度并實(shí)時(shí)顯示溫度值，測(cè)試接觸角值時(shí)， 液體相進(jìn)樣器的針頭通過針頭插槽進(jìn)入樣品池腔體內(nèi)部，被測(cè)固體相放在加熱板上方，儀 器的CXD通過石英玻璃觀察窗觀察被測(cè)樣品的圖像。見圖4，如果被測(cè)樣品是纖維、薄膜或測(cè)試時(shí)需要采用氣泡捕獲法時(shí)，需要用到專 業(yè)固定夾具，夾具的實(shí)施方案為兩根導(dǎo)軌固定在一個(gè)固定金屬塊上，一根絲鋼連接到固定 金屬塊上，絲鋼可以轉(zhuǎn)動(dòng)；另一個(gè)不固定金屬塊中間孔有螺紋并與絲鋼連接，另兩個(gè)孔套 入固定好的導(dǎo)軌上；兩金屬塊攻有螺紋，表面粘附硅橡膠墊片；用壓緊螺絲套連上壓緊片，將壓緊片壓緊在兩金屬塊上，絲鋼一端裝有旋柄，使用旋柄轉(zhuǎn)動(dòng)絲鋼，不固定的金屬塊可以 被控制并沿導(dǎo)軌滑動(dòng)，使用時(shí)，將被測(cè)固體樣品旋轉(zhuǎn)于壓緊片與硅橡膠片中間，壓緊壓緊螺 絲，旋轉(zhuǎn)絲鋼，用絲鋼的拉開力拉緊樣品，從而實(shí)現(xiàn)固定樣品的目的。見圖2、圖3、圖4實(shí)施例，本發(fā)明采用真實(shí)液滴法測(cè)試靜態(tài)固-液接觸角的實(shí)現(xiàn)方 法為(1)吸取液體將微量進(jìn)樣器固定在旋轉(zhuǎn)微量進(jìn)樣器吸、進(jìn)液控制部件，吸入液體 相樣品；(2)放置被測(cè)固體相樣器至樣品臺(tái)，如果被測(cè)樣品為薄膜或纖維，還需使用夾具將 其固定、拉緊；(3)調(diào)整焦距控制進(jìn)樣器控制鈕X向位移控制部件以及Y向位移控制部件，觀測(cè)微量進(jìn)樣器針頭的成像效果，直至清晰為止，本操作通常只需進(jìn)行一次即可；(4)液滴轉(zhuǎn)移旋轉(zhuǎn)微量進(jìn)樣器控制部件，擠出一滴約l_5uL左右液體(如果被 測(cè)固體樣品為超疏水材料，更換微量進(jìn)樣器針頭為聚四氟乙烯或細(xì)針頭0. 3mm直徑)，旋轉(zhuǎn) 進(jìn)樣器位移控制Z向鈕，控制進(jìn)樣器向下移動(dòng)，液滴接觸到固體相樣品后，旋轉(zhuǎn)進(jìn)樣器位移 控制Z向鈕，控制進(jìn)樣器向上移動(dòng)，液體會(huì)因固體表面的吸附力作用，轉(zhuǎn)移到固體相樣品表 面；(5)軟件控制CXD成像系統(tǒng)拍攝影像資料；(6)軟件自動(dòng)根據(jù)真實(shí)液滴法分析圖像邊緣、擬合靜態(tài)液滴的整體曲線方程、計(jì)算 接觸點(diǎn)的斜率進(jìn)而得到接觸角值。6、采用真實(shí)液滴法測(cè)試動(dòng)態(tài)固_液接觸角的實(shí)現(xiàn)方式(1)通過樣品臺(tái)滾動(dòng)形成前進(jìn)、后退角、滾動(dòng)角，并利用真實(shí)液滴法分析動(dòng)態(tài)接觸 角值將固體相樣品夾持在夾具上并固定在樣品臺(tái)上，吸取液體進(jìn)入微量進(jìn)樣器后，將 液滴轉(zhuǎn)移到固體相表面；旋轉(zhuǎn)樣品臺(tái)旋轉(zhuǎn)控制部件；樣品臺(tái)及鏡頭、CCD部件均會(huì)一起旋 轉(zhuǎn)；軟件控制CCD成像系統(tǒng)實(shí)時(shí)錄相或連續(xù)拍攝靜止圖片形成影像資料；觀測(cè)液滴滾動(dòng)后， 停止旋轉(zhuǎn)樣品臺(tái)；利用軟件找得液滴滾動(dòng)瞬間的圖片；利用真實(shí)液滴法，分析圖像邊緣坐 標(biāo)，分析自左、右接觸點(diǎn)往液滴中間位置一段曲線的坐標(biāo)點(diǎn)，并將這些坐標(biāo)用設(shè)定好的一個(gè) 或幾個(gè)曲線進(jìn)行擬合，對(duì)比曲線擬合度因子取因子最好曲線方程在接觸點(diǎn)分左、右不同計(jì) 算斜率K值，進(jìn)而得到一個(gè)前進(jìn)角、一個(gè)后退角值，人工或利用軟件(旋轉(zhuǎn)平臺(tái)附圖2-8如 果使用電機(jī)控制時(shí))自動(dòng)讀取液滴滾動(dòng)時(shí)的角度值，記錄這個(gè)值為滾動(dòng)角值。(2)通過在固體樣品上表面增加、減少液體的方式，形成前進(jìn)、后退角，并利用真實(shí) 液滴法分析動(dòng)態(tài)接觸角值將固體相樣品放在樣品臺(tái)上；控制進(jìn)樣器Z向位移控制部件，控 制針頭接近固體相樣品于4像素左右；控制進(jìn)樣器進(jìn)液、吸液部件，增加液體量；軟件控制 CCD成像系統(tǒng)實(shí)時(shí)錄相或連續(xù)拍攝靜止圖片形成影像資料；觀察到液體在固體表面移動(dòng)或 觀測(cè)到最大接觸角形成時(shí)，停止增加液體；利用軟件找得液滴移動(dòng)瞬間的圖片；利用真實(shí) 液滴法，分析圖像邊緣坐標(biāo)，分析自左、右接觸點(diǎn)往液滴中間位置一段曲線的坐標(biāo)點(diǎn)，并將 這些坐標(biāo)用設(shè)定好的一個(gè)或幾個(gè)曲線進(jìn)行擬合，對(duì)比曲線擬合度因子取因子最好曲線方程 在接觸點(diǎn)分左、右不同計(jì)算斜率K值，進(jìn)而得到一個(gè)前進(jìn)角值；控制進(jìn)樣器進(jìn)液、吸液部件， 減少液體量；軟件控制CCD成像系統(tǒng)實(shí)時(shí)錄相或連續(xù)拍攝靜止圖片形成影像資料；觀察到液體在固體表面移動(dòng)或觀測(cè)到最大接觸角形成時(shí)，停止減少液體；利用軟件找得液滴移動(dòng)瞬間的圖片；利用真實(shí)液滴法，分析圖像邊緣坐標(biāo)，分析自左、右接觸點(diǎn)往液滴中間位置一 段曲線的坐標(biāo)點(diǎn)，并將這些坐標(biāo)用設(shè)定好的一個(gè)或幾個(gè)曲線進(jìn)行擬合，對(duì)比曲線擬合度因 子取因子最好曲線方程在接觸點(diǎn)分左、右不同計(jì)算斜率K值，進(jìn)而得到一個(gè)后退角值。(3)通過將固體樣品用夾具支起后，在樣品上打一小孔(0.5mm左右)，用針頭通過 小孔增加、減少液體的方式，形成前進(jìn)、后退角，并利用真實(shí)液體法分析動(dòng)態(tài)接觸角值在固 體相樣品樣品待測(cè)位置打一個(gè)0. 5mm左右小孔，將其固定在夾具上；將固定有樣品的夾具 放在樣品臺(tái)上；將微量進(jìn)樣器的針頭更換為U形彎曲針頭；控制進(jìn)樣器Z向位移控制部件， 控制針頭從固體相樣品的小孔中突出約4像素左右；控制進(jìn)樣器進(jìn)液、吸液部件，增加液體 量；軟件控制CCD成像系統(tǒng)實(shí)時(shí)錄相或連續(xù)拍攝靜止圖片形成影像資料；觀察到液體在固 體表面移動(dòng)或觀測(cè)到最大接觸角形成時(shí)，停止增加液體；利用軟件找得液滴移動(dòng)瞬間的圖 片；利用真實(shí)液滴法，分析圖像邊緣坐標(biāo)，分析自左、右接觸點(diǎn)往液滴中間位置一段曲線的 坐標(biāo)點(diǎn)，并將這些坐標(biāo)用設(shè)定好的一個(gè)或幾個(gè)曲線進(jìn)行擬合，對(duì)比曲線擬合度因子取因子 最好曲線方程在接觸點(diǎn)分左、右不同計(jì)算斜率K值，進(jìn)而得到一個(gè)前進(jìn)角值；控制進(jìn)樣器進(jìn) 液、吸液部件，減少液體量；軟件控制CCD成像系統(tǒng)實(shí)時(shí)錄相或連續(xù)拍攝靜止圖片形成影像 資料；觀察到液體在固體表面移動(dòng)或觀測(cè)到最大接觸角形成時(shí)，停止減少液體；利用軟件 找得液滴移動(dòng)瞬間的圖片；利用真實(shí)液滴法，分析圖像邊緣坐標(biāo)，分析自左、右接觸點(diǎn)往液 滴中間位置一段曲線的坐標(biāo)點(diǎn)，并將這些坐標(biāo)用設(shè)定好的一個(gè)或幾個(gè)曲線進(jìn)行擬合，對(duì)比 曲線擬合度因子取因子最好曲線方程在接觸點(diǎn)分左、右不同計(jì)算斜率K值，進(jìn)而得到一個(gè) 后退角值。本發(fā)明采用真實(shí)液滴法測(cè)試固_液動(dòng)、靜態(tài)接觸角，且設(shè)計(jì)了專門測(cè)試固_液動(dòng)、 靜態(tài)接觸角的儀器及與其配合的結(jié)構(gòu)，測(cè)值時(shí)，由于高精度的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制功能的實(shí) 現(xiàn)，測(cè)值過程完全配合液滴的輪廓形狀分析角度而沒有前提假設(shè)，可以大大提高靜態(tài)接觸 角的測(cè)值精度，在測(cè)試動(dòng)態(tài)接觸角過程中，由于真實(shí)液滴法的提出，可以準(zhǔn)確的計(jì)算得出不 規(guī)則或不對(duì)稱液滴曲線的前進(jìn)、后退角值，從而提高了接觸角分析的應(yīng)用范圍，機(jī)械結(jié)構(gòu)中 的樣品臺(tái)與鏡頭、CCD成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了有效跟蹤液滴變化的功能，為分析仿生研究 中的疏水效果分析提供了可能。采用真實(shí)液滴法的固-液動(dòng)、靜態(tài)接觸角儀，因其測(cè)值精度高、設(shè)計(jì)精密度高、操 作簡單，可廣泛應(yīng)用于精細(xì)化工、石油石化、油墨、墨水、油漆、涂料、印刷、電力、電鍍、農(nóng)藥、 納米材料、紡織品、清洗劑、助化劑、化妝品、食品、醫(yī)藥等行業(yè)界面張力和表面張力等物性 測(cè)值，具有較高的推廣價(jià)值。
權(quán)利要求
一種真實(shí)液滴法測(cè)試固—液動(dòng)、靜態(tài)接觸角的方法，其特征在于測(cè)試方法為采用一定的數(shù)學(xué)算子自動(dòng)查找實(shí)時(shí)捕捉的圖片中接觸角形成的液滴的輪廓邊緣，自動(dòng)記錄下邊緣點(diǎn)的坐標(biāo)位置，按設(shè)置的曲線方程將查找的邊緣點(diǎn)自動(dòng)擬合成曲線，并得出曲線方程，根據(jù)曲線與實(shí)際坐標(biāo)點(diǎn)位置進(jìn)行匹配判斷，計(jì)算得出擬合度因子，自動(dòng)求解固-液接觸點(diǎn)位置的斜率K值，并進(jìn)而自動(dòng)計(jì)算得出接觸角的角度值；具體測(cè)試方法為(1)通過軟件系統(tǒng)控制CCD光學(xué)成像系統(tǒng)，將液滴的實(shí)時(shí)影像捕捉到電腦中；(2)軟件系統(tǒng)自動(dòng)分析實(shí)時(shí)影像資料的液滴輪廓線邊緣或自動(dòng)分析連續(xù)捕捉的圖片資料，并利用圖像算法，分析液滴輪廓線邊緣；(3)軟件自動(dòng)記錄下邊緣點(diǎn)坐標(biāo)值；(4)軟件自動(dòng)按用戶設(shè)置好的一項(xiàng)或幾項(xiàng)曲線擬合輪廓邊緣的曲線方程；(5)將擬合點(diǎn)的坐標(biāo)與記錄的邊緣點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行二次匹配得出擬合因子，根據(jù)擬合因子調(diào)整擬合效果；(6)對(duì)液滴進(jìn)行曲線擬合以后，在接觸點(diǎn)出求微分獲取斜率K，并計(jì)算得出接觸角值，計(jì)算公式如下 <mrow><mfrac> <mrow><mi>d</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>F</mi> <mrow><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo> </mrow> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mi>dx</mi></mfrac><mo>|</mo><mi>x</mi><mo>=</mo><msub> <mi>x</mi> <mn>0</mn></msub> </mrow>x0為接觸點(diǎn)的坐標(biāo)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的真實(shí)液滴法測(cè)試固一液動(dòng)、靜態(tài)接觸角的方法，其特征在于 所述的軟件具有真實(shí)液滴法靜態(tài)、動(dòng)態(tài)接觸角分析功能，可自動(dòng)計(jì)算基于極性液體與非極 性低能固體表面形成界面條件下的固體表面自由能值，可自動(dòng)計(jì)算固-液粘附功值，可自 動(dòng)控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)進(jìn)而控制液體按照設(shè)置好的流速、體積進(jìn)行擠出液體以及吸入液體動(dòng)作， 可自動(dòng)控制機(jī)架旋轉(zhuǎn)，以便形成滾動(dòng)角效果，可觸發(fā)光學(xué)成像系統(tǒng)捕捉實(shí)時(shí)圖片或影像文 件，并具有數(shù)據(jù)庫管理功能，以便實(shí)時(shí)跟蹤并管理測(cè)值結(jié)果，可將測(cè)試數(shù)據(jù)管理并可將測(cè)得 結(jié)果導(dǎo)出為其他數(shù)據(jù)格式的測(cè)值。
3.一種利用上述真實(shí)液滴法測(cè)試固一液動(dòng)、靜態(tài)接觸角的儀器，其特征為該儀器由 固體樣品臺(tái)及其控制裝置、液體進(jìn)液裝置及其控制裝置、光學(xué)成像系統(tǒng)及其控制裝置以及 固體樣品夾具、支撐架等組成；帶有二維水平調(diào)整功能的固體樣品臺(tái)裝到樣品臺(tái)控制X向、 Y向、Z向上方，并連接起來，連接好的帶X、Y、Z向控制及水平調(diào)整功能的樣品臺(tái)部件裝到 樣品臺(tái)旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)控制平臺(tái)下連接桿上，連接桿與鏡頭安裝部件相連通，成像系統(tǒng)CXD及光 學(xué)鏡頭安裝于鏡頭俯仰調(diào)整架上，并連接到旋轉(zhuǎn)臺(tái)的連接桿的連通桿上，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)固定在 機(jī)箱架上；旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，樣品臺(tái)、CCD及光學(xué)鏡頭均可一起旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)表面用激光雕 刻上角度刻度值，微量進(jìn)樣器固定在進(jìn)樣器進(jìn)液及吸液控制部件上，進(jìn)樣器控制部件與進(jìn) 樣器X向控制、Y向控制、Z向控制相組裝，并固定在機(jī)箱架上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種利用上述真實(shí)液滴法測(cè)試固一液動(dòng)、靜態(tài)接觸角的儀 器，其特征為所述儀器還配套有溫控系統(tǒng)，該溫控系統(tǒng)采用恒溫水槽作為溫控源，并用硅 橡膠管連接恒溫樣品池上的水循環(huán)接口，或采用電熱方式制成的腔體、半導(dǎo)體致冷片制成 的腔體等作為溫控源，制成裝有溫控源的加熱板，溫度傳感器裝在加熱板，樣品槽上方帶有針頭插入導(dǎo)槽，溫控水槽兩側(cè)邊有石英玻璃，溫度傳感器用數(shù)據(jù)線與電腦相連，液體相進(jìn)樣 器的針頭通過針頭插槽進(jìn)入樣品池腔體內(nèi)部。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種利用上述真實(shí)液滴法測(cè)試固一液動(dòng)、靜態(tài)接觸角的儀 器，其特征在于，所述的固定樣品夾具的兩根導(dǎo)軌固定在一個(gè)固定金屬塊上，一根絲鋼連接 到固定金屬塊上，絲鋼可以轉(zhuǎn)動(dòng)；另一個(gè)不固定金屬塊中間孔有螺紋并與絲鋼連接，另兩個(gè) 孔套入固定好的導(dǎo)軌上，兩金屬塊攻有螺紋，表面粘附硅橡膠墊片，用壓緊螺絲套連上壓緊 片，將壓緊片壓緊在兩金屬塊上，絲鋼一端裝有旋柄，不固定的金屬塊可以沿導(dǎo)軌滑動(dòng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的真實(shí)液滴法測(cè)試固一液動(dòng)、靜態(tài)接觸角的方法，其特征在于 其測(cè)試固一液靜態(tài)接觸角的實(shí)現(xiàn)方法為(1)吸取液體將微量進(jìn)樣器固定在旋轉(zhuǎn)微量進(jìn)樣器吸、進(jìn)液控制部件，吸入液體相樣P m ；(2)放置被測(cè)固體相樣器至樣品臺(tái)，如果被測(cè)樣品為薄膜或纖維，還需使用夾具將其固 定、拉緊；(3)調(diào)整焦距控制進(jìn)樣器控制鈕X向位移控制部件以及Y向位移控制部件，觀測(cè)微量 進(jìn)樣器針頭的成像效果，直至清晰為止，本操作通常只需進(jìn)行一次即可；(4)液滴轉(zhuǎn)移旋轉(zhuǎn)微量進(jìn)樣器控制部件，擠出一滴約l_5uL左右液體(如果被測(cè)固體 樣品為超疏水材料，更換微量進(jìn)樣器針頭為聚四氟乙烯或細(xì)針頭0. 3mm直徑)，旋轉(zhuǎn)進(jìn)樣器 位移控制Z向鈕，控制進(jìn)樣器向下移動(dòng)，液滴接觸到固體相樣品后，旋轉(zhuǎn)進(jìn)樣器位移控制Z 向鈕，控制進(jìn)樣器向上移動(dòng)，液體會(huì)因固體表面的吸附力作用，轉(zhuǎn)移到固體相樣品表面；(5)軟件控制CCD成像系統(tǒng)拍攝影像資料；(6)軟件自動(dòng)根據(jù)真實(shí)液滴法分析圖像邊緣、擬合靜態(tài)液滴的整體曲線方程、計(jì)算接觸 點(diǎn)的斜率進(jìn)而得到接觸角值。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的真實(shí)液滴法測(cè)試固一液動(dòng)、靜態(tài)接觸角的方法，其特征在于， 其測(cè)試固一液靜態(tài)接觸角的實(shí)現(xiàn)方法為(1)利用轉(zhuǎn)動(dòng)樣品臺(tái)讓液體相在固體相表面滾動(dòng) 形成前進(jìn)、后退、滾動(dòng)角，利用真實(shí)液滴法分析形成液滴的外觀輪廓邊緣，并分別擬合左、右 接觸點(diǎn)往中間點(diǎn)一段距離間的曲線方程，分別計(jì)算左、右接觸點(diǎn)位置的斜率K并進(jìn)而計(jì)算 得出前進(jìn)、后退角值；人工或利用軟件自動(dòng)讀取上述樣品臺(tái)旋轉(zhuǎn)控制臺(tái)的旋轉(zhuǎn)角度值，并將 其記錄為滾動(dòng)角值；(2)利用擠出液體或吸入液體的方式，在樣品上表面或自樣品中點(diǎn)鉆 出的小孔下方形成前進(jìn)、后退角，利用真實(shí)液滴法分析形成液滴的外觀輪廓邊緣，并分別擬 合左、右接觸點(diǎn)往中間點(diǎn)一段距離間的曲線方程，分別計(jì)算左、右接觸點(diǎn)位置的斜率K并進(jìn) 而計(jì)算得出前進(jìn)、后退角值。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種真實(shí)液滴法測(cè)試固-液動(dòng)、靜態(tài)接觸角的儀器和方法，在測(cè)試時(shí)，在將固體相樣品放置于樣品臺(tái)上，控制樣品臺(tái)X、Y、Z移動(dòng)直至鏡頭焦距位置，將液體相樣品吸取到微量進(jìn)樣器或注射泵或蠕動(dòng)泵內(nèi)，控制進(jìn)樣器X、Y、Z移動(dòng)至焦距位置，將液體將滴出一小液滴并吸附于針頭上，移動(dòng)針頭至固體相樣品表面，直至將液體相樣品吸附到固體表面為止，軟件系統(tǒng)控制光學(xué)成像系統(tǒng)(CCD)捕捉實(shí)時(shí)圖片并對(duì)其進(jìn)行分析處理，分析過程采用真實(shí)液滴法，將計(jì)算得出的固-液接觸角值、固體表面自由能值以及粘附功值顯示出來并由數(shù)據(jù)庫加以管理，本發(fā)明可全面提升固-液界面張力分析的精度，且操作簡單，應(yīng)用面廣泛，具有較高的推廣價(jià)值。
文檔編號(hào)G01N13/00GK101865807SQ201010147088
公開日2010年10月20日 申請(qǐng)日期2010年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月15日
發(fā)明者施建輝, 李媛媛, 賈兆君 申請(qǐng)人:上海梭倫信息科技有限公司