接触角是液体在固体材料表面上形成的接触角度，是衡量该液体对材料表面润湿性能的重要参数，又称润湿角[1]。接触角越小，表明液体的润湿性越好，若该角度小于90°，则表明液体较易润湿固体，接触角在0°时表明液体可完全润湿固体，反之，表明润湿性越差[2]。在石油工业中，对裂缝岩石的接触角测量能有效提高采收率，若测定接触角小于30°，可采用注水驱油法采油，若接触角大于30°，则需要添加表面活性剂驱油，以增加岩石的亲水性[3]。不仅在石油工业中，接触角测量技术在浮选工业、医药材料、芯片产业、低表面能无毒防污材料、油墨、化妆品、农药、印染、造纸、织物整理、洗涤剂、喷涂、污水处理等领域有着重要应用[4]。
量角法和张力测定法是两种测量固液接触角的不同方法。量角法是测量接触角的常用方法，由直接测量固体和液滴表面切线之间的夹角来估计接触角[5]，由于对测试环境要求低，仅需一个相对平坦且易于拍摄图像的面，因此量角法比张力测定法拥有更广泛的适用范围[6]。由于每次测量中的液体受到限制，应该通过多次测量来表征表面的特性。张力测定法的原理是让固体与液体相互接触并测量它们之间存在的张力，在获得它们相互影响的作用力、固体的几何形状以及液体表面张力的情况下计算出接触角[7]。由于测量液体表面张力时用到了Wihelmy装置，该方法又称Wihemly法[8]。尽管采用该方法可以很好地分析量角法难以分析的纤维材料，但该方法测量过程中不但需要足够的测试液，还要求被测固体具有规则的几何外形[9]。
目前市场上接触角测量仪型号繁多，大体上所采用的原理相同，只是在硬件配置和软件设计方面有所差异，总体上测量精度都已经达到±0.01°，测量范围达到±180°。为了满足基本测量需求，市场上的接触角测量仪集成了许多功能，但在实验教学和常规测量过程中并不会用到这些功能，这就显得有些功能溢出。例如德国DataPhysics公司研制的OCA25型号接触角测量仪，可在高温、高压或高真空情况下测量表面张力及接触角，在非特定测量中，拥有该功能的昂贵仪器显得性价比相对较低。因此，研制一种低成本的接触角测量仪，用于提升本科生实验教学的受益面，是非常具有实际意义的。
本文研制一种封闭式结构的低成本接触角测量仪，该仪器采用量角法测定接触角，使用蠕动泵自动滴液，通过电子显微镜采集固体和液滴表面切线图像，通过计算机测量接触角。该仪器具有三种信息输出模式，即：可通过上位机界面输出该信息，也可使用二维码输出，还可通过热敏打印机输出信息。
1 系统总体设计
2 上位机开发
3 实验与分析
4 结语
本接触角测量仪使用一种封闭式结构的低成本设计方法，采用量角法测量接触角，使用蠕动泵完成自动滴液，配合电子显微镜实现图像数据采集。本设计的上位机界面功能全面、操作便捷，能通过三种方式输出测量数据。实验结果表明，该仪器能够很好地完成测量任务，又能很好地控制成本，非常适合本科实验教学，具有较高的经济价值和推广意义。
参考文献
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[2] 王晓东,彭晓峰,李笃中.粗糙表面上的移动接触线和动态接触角[J].化工学报,2004,55(3):402-407.
[3] 丁晓峰,陈沛智,管蓉.接触角测量技术的应用[J].分析试验室,2008(S1):72-75.
[4] 丁晓峰,管蓉,陈沛智.接触角测量技术的最新进展[J].理化检验(物理分册),2008(2):84-89.
[5] 张世文,廉育英.憎水性与接触角的测量[J].现代计量测试,1994(3):36-41.
[6] 熊艳,贾志海,蔡小舒.图像分析法测量液滴接触角[J].计测技术,2010(2):9-11.
[7] 臧红霞.接触角的测量方法与发展[J].福建分析测试,2006,15(2):47-48.
[8] 宁乔,朱志强,吕旭涛,等. 图像法求液滴表面张力和接触角[J].空间科学学报,2008(1):74-79.
[9] SALAUN F,DEVAUX E,BOURBIGOT S,et al.Appli-cation of contact angle measurement to the manufacture of textiles containing microcapsules[J]. Textile Research Journal. 2009, 79(13):1202-1212.
王其军 杨超 钟烨 梁春平 西南石油大学石油与天然气工程学院 |
