申请/专利权人：西南科技大学

申请日：2019-06-11

公开（公告）日：2024-05-17

公开（公告）号：CN110132798B

主分类号：G01N13/00

分类号：G01N13/00

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.05.17#授权;2019.09.10#实质审查的生效;2019.08.16#公开

摘要：本发明公开了一种测量电场下固液界面前进后退角的装置及方法，将待测液滴放置于两带电极板之间，液滴分别与两带电极板接触，两带电极板在做合拢或分离运动过程中将对待测液滴产生压缩或拉伸作用，从而导致待测液滴的接触线在极板上发生向前或向后运动，通过高速摄像机记录下液滴在受到压缩和拉伸时的形态变化，通过图像处理获得待测液滴在电场下的前进后退角。该方法对于上下极板、拉压装置、液滴种类、电场大小等参数可根据实验的具体情况进行调整，可进一步提高实验的准确性和兼容性，实现通过一个实验装置对多种液滴在不同环境下的前进后退角的测量，能很好的满足测量电场下固液界面液滴前进后退角的要求。

主权项：1.一种测量电场下固液界面前进和后退角的方法，其特征在于，所述方法中，采用的装置包括：塑料透明操作箱；水平底板，其设置在塑料透明操作箱内；电动位移平台，其通过支撑架连接在水平底板的上方；且所述电动位移平台的伸缩平台朝向所述水平底板；铜板，其连接在水平底板上；下极板，其通过导电凝胶粘结在铜板上；导电拉压杆，其一端连接在电动位移平台的伸缩平台上，另一端通过导电凝胶粘结在上极板上，以使所述上极板位于下极板的上方，且所述上极板和下极板形成液滴容纳空间；电源，其设置在水平底板上，所述电源的正极与导电拉压杆连接，负极与铜板连接；高速摄像机，设置在水平底板上，且所述高速摄像机的摄像头对准上极板和下极板形成的液滴容纳空间；所述测量电场下固液界面前进和后退角的方法，包括以下步骤：步骤一、将待测固体表面切割后得到极板原料，然后对极板原料进行清洗和干燥处理，采用极板原料制备下极板和上极板；步骤二、采用导电材料制作成导电拉压杆，使用导电凝胶将导电拉压杆的一端粘结于电动位移平台的伸缩平台上；步骤三、将上极板通过导电凝胶粘结在导电拉压杆的另一端，将下极板通过导电凝胶粘接在铜板上，并将铜板安装于水平底板上，使上极板与拉压杆、下极板和铜板分别处于导通状态，将电源的正极与导电拉压杆连接，负极与铜板连接；步骤四、在铜板表面的下极板上滴加待测液滴，调节电动位移平台使导电拉压杆末端的上极板位于液滴正上方5mm处，开启电源设定电压值；步骤五、开启高速摄像机记录实验过程，开启电动位移平台使其按设定速度运动，使上极板、下极板与待测液滴接触并完成合拢和分离动作，从而使待测液滴完成压缩和拉伸运动，使待测液滴的接触线发生向前和向后移动；步骤六、将高速摄像机采集的图像数据进行处理后，测量出液滴在受到压缩时和拉伸时的前进角和后退角；所述步骤一的具体过程为：将表面镀有200~400nm的SiO2涂层的硅片切割为15mm×15mm标准样品，随后对标准样品进行超声波清洗5min，用吸水纸吸取表面的水分，将其干燥，保持表面干净清洁；将清洁后的标准样品置于台式匀胶机，旋涂特氟龙乳液；台式匀胶机旋涂参数为：低速500rmin状态下旋涂20s；高速3000rmin状态下旋涂30s；最后将旋涂过的实验样品放置于200℃烤箱中烘烤2h后待其自然冷却，得到下极板；将纯硅片样品表面喷涂疏水液，放置自然干燥，得到上极板；所述上极板的表面疏水性小于下极板的表面疏水性，即上极板的表面接触角小于下极板的表面接触角。

全文数据：测量电场下固液界面前进后退角的装置及方法技术领域本发明涉及一种测量电场下固液界面前进后退角的装置及方法，可用于精准测量不同材料和不同液滴在电场下的前进后退角，属于测量技术领域。背景技术固液界面的润湿特性在药物开发、车辆防污、材料保护、玻璃自洁等方面都具有重要作用。液滴在固体表面的前进后退角是固液气界面相互作用关系的宏观表现，是研究固液界面行为最重要的参数之一。通过电场控制微液滴的运动在微流体芯片、电润湿透镜、电子纸等行业具有广泛的应用，测量电场下固液界面前进后退角是产品研发中的关键步骤，因此亟需研发一种能快速、准确测量电场下固液界面前进后退角的方法。目前常用于测量液滴前进后退角的方法有两种，一种为加减液法，另外一种为倾斜板法。加减液法通过接触角测量仪的微型泵将标准试液以预先设定流速滴加于待测固体表面，通过高速摄像头记录加减液过程中固液界面接触线和接触角的变化情况，通过图像软件分析获得液滴的前进后退角。该方法所使用的液滴为几种固定待测液体，若要测量特殊液滴的前进后退角，需要进行繁琐的调试，极大的影响实验效率。倾斜板法是将待测液滴置于待测样品表面，将待测样品表面缓慢、匀速地倾斜，使液滴在重力的作用下发生形态改变并发生滚动，通过图像采集液滴滑动瞬间的形态，从而获得液滴的前进后退角。该种方法以液滴重力为动力源，对液滴体积和待测表面的倾斜角度均有严苛的要求，操作不方便，实用范围较小。以上方法适用于测量无电场下液滴的前进后退角。然而，测量电场下固液界面间液滴前进后退角需要引入电场，而电场的引入可能会降低仪器的测试精度或造成仪器损坏。因此，上述测量方法均无法在电场条件下完成前进后退角的测试，因此，亟待开发一种操作便捷、测量精度高、能适用于电场环境、精确快速的测量固液界面间液滴前进后退角的方法。发明内容本发明的一个目的是解决至少上述问题和或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种测量电场下固液界面前进后退角的装置，包括：塑料透明操作箱；水平底板，其设置在塑料透明操作箱内；电动位移平台，其通过支撑架连接在水平底板的上方；且所述电动位移平台的伸缩平台朝向所述水平底板；铜板，其连接在水平底板上；下极板，其通过导电凝胶粘结在铜板上；导电拉压杆，其一端连接在电动位移平台的伸缩平台上，另一端通过导电凝胶粘结在上极板上，以使所述上极板位于下极板的上方，且所述上极板和下极板形成液滴容纳空间；电源，其设置在水平底板上，所述电源的正极与不锈钢拉压杆连接，负极与铜板连接；高速摄像机，设置在水平底板上，且所述高速摄像机的摄像头对准上极板和下极板形成的液滴容纳空间。优选的是，所述下极板包括：硅片、镀在硅片上的绝缘层和涂覆于绝缘层上的疏水层。优选的是，所述绝缘层为200～400nm的SiO2涂层，所述疏水层为特氟龙层。优选的是，所述上极板包括：硅片和涂覆于绝缘层上的疏水层。优选的是，所述导电拉压杆为不锈钢拉压杆。本发明还提供一种采用上述的装置测量电场下固液界面前进后退角的方法，包括以下步骤：步骤一、将待测固体表面切割后得到极板原料，然后对极板原料进行清洗和干燥处理，采用极板原料制备下极板和上极板；步骤二、采用导电材料制作成导电拉压杆，使用导电凝胶将导电拉压杆的一端粘结于电动位移平台的伸缩平台上；步骤三、将上极板通过导电凝胶粘结在导电拉压杆的另一端，将下极板通过导电凝胶粘接在铜板上，并将铜板安装于水平底板上，使上极板与拉压杆、下极板和铜板分别处于导通状态，将电源的正极与导电拉压杆连接，负极与铜板连接；步骤四、在铜板表面的下极板上滴加待测液滴，调节电动位移平台使导电拉压杆末端的上极板位于液滴正上方约5mm处，开启电源设定电压值；步骤五、开启高速摄像机记录实验过程，开启电动位移平台使其按设定速度运动，使上极板、下极板与待测液滴接触并完成合拢和分离动作，从而使待测液滴完成压缩和拉伸运动，使待测液滴的接触线发生向前和向后移动；步骤六、将高速摄像机采集的图像数据进行处理后，测量出液滴在受到压缩时和拉伸时的前进角和后退角。优选的是，所述步骤一的具体过程为：将表面镀有200～400nm的SiO2涂层的硅片切割为15mm×15mm标准样品，随后对标准样品进行超声波清洗5min，用吸水纸吸取表面的水分，将其干燥，保持表面干净清洁；将清洁后的标准样品置于台式匀胶机，旋涂特氟龙乳液；台式匀胶机旋涂参数为：低速500rmin状态下旋涂20s；高速3000rmin状态下旋涂30s；最后将旋涂过的实验样品放置于200℃烤箱中烘烤2h后待其自然冷却，得到下极板；将纯硅片样品表面喷涂疏水液，放置自然干燥，得到上极板；所述上极板的表面疏水性小于下极板的表面疏水性，即上极板的表面接触角小于下极板的表面接触角。优选的是，所述导电拉压杆的制备方法为：取长度为80～150mm，外径为0.5mm，内径为0.25mm的不锈钢管制成导电拉压杆。优选的是，所述步骤四中，电压值为0～200V；所述步骤五中，电动位移平台的移动速度为0.01～0.02mms。本发明至少包括以下有益效果：1本发明可操作性强，制造成本低廉，操作人员可根据实际的情况灵活调整。2本发明不需要调整实验方案即可实现对多种液体的测量，可在电场和其他氛围下进行测量，避免加减液法繁琐的更换试液的工作，对液滴体积和性质没有特殊要求。3本发明的实验过程可在常温、常压下进行，无需无尘、恒温、恒湿等特殊的实验环境；同时检测时间短，4～5分钟即可完成一组实验，可大幅度增加实验效率。4本发明的测量方法适合测量各种表面和液体在电场下的前进后退角，具有使用便捷、适用范围广、测量精度高的特点，能很好的满足测量电场下固液界面前进后退角的要求。5本发明方法是适用于测量电场下液体前进后退角，在电场下使用传统测量方法液体极易发生不对称变形，一旦发生不对称变形，拟合曲线函数将会产生极大的不准确性，由此测量出的液体左右两侧角度将会出现较大的误差。但在本发明中通过上下两极板的约束作用，将会有效的防止电场下液滴不对称变形的产生，提高了测量的精度和准确性。本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。附图说明：图1为本发明测量电场下固液界面前进后退角的装置的结构示意图。具体实施方式：下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。图1示出了本发明的一种测量电场下固液界面前进后退角的装置，包括：塑料透明操作箱1；水平底板2，其设置在塑料透明操作箱1内；电动位移平台7，其通过支撑架3连接在水平底板2的上方；且所述电动位移平台7的伸缩平台朝向所述水平底板2；铜板11，其连接在水平底板2上；下极板8，其通过导电凝胶粘结在铜板11上；导电拉压杆12，其一端连接在电动位移平台7的伸缩平台上，另一端通过导电凝胶粘结在上极板10上，以使所述上极板10位于下极板8的上方，且所述上极板10和下极板8形成液滴容纳空间；电源5，其设置在水平底板2上，所述电源的正极通过导线Ⅰ4与不锈钢拉压杆连接，负极通过导线Ⅱ6与铜板11连接；使铜板11、下极板8、上极板10与导电拉压杆12依次串联在电路中；高速摄像机13，设置在水平底板2上，且所述高速摄像机13的摄像头对准上极板10和下极板8形成的液滴容纳空间。在这种技术方案中，在铜板表面的下极板上滴加待测液滴，调节电动位移平台使导电拉压杆上连接的的上极板位于液滴正上方约5mm处，开启电源设定电压值；开启高速摄像机记录实验过程，开启电动位移平台使其按设定速度运动，使上极板、下极板与待测液滴接触并完成合拢和分离动作，从而使待测液滴完成压缩和拉伸运动，使待测液滴的接触线发生向前和向后移动，将高速摄像机采集的图像数据进行处理后，测量出液滴在受到压缩时和拉伸时的前进角和后退角。在上述技术方案中，可以采用将高速摄像机采集的图像数据导入外部数据控制处理终端计算机等设备，并采用图像处理软件本发明中采用CAD软件手动拟合图像的方式进行处理；还可以采用在塑料透明操作箱的外部设置数据控制处理终端16计算机等设备，将高速摄像机通过设置在塑料透明操作箱上的图像数据输出端口15与数据控制处理终端16电通信连接，可以直接将高速摄像机采集的图像数据导入数据控制处理终端进行处理；同时，将电动位移平台7通过设置在塑料透明操作箱上的位移输入端口14与数据控制处理终端电通信连接，以实现数据控制处理终端对电动位移平台的控制；采用这种方式主要是通过设立集成端口的模式，将数据能统一同步输出，便于后续能便利的提取其中某一段数据和视频信息进行分析。在上述技术方案中，所述下极板包括：硅片、镀在硅片上的绝缘层和涂覆于绝缘层上的疏水层。选用硅片作为导电层是因为硅片是目前最成熟的半导体导电材料，相比其他材料性价比最高。在上述技术方案中，所述绝缘层为200～400nm的SiO2涂层，所述疏水层为特氟龙层。选用SiO2涂层是因为SiO2现在是使用范围最广的绝缘材料，在考虑制造技术和成本方面是目前性价比最高的，且SiO2表面光滑也不会影响疏水层的涂覆，200～400nm的厚度选择是因为当厚度过小时，虽然能在电压较小的情况下就能得到较大的接触角变化，但容易导致疏水层被击穿；当厚度过大时，若想得到较大的接触角变化则需要较大的电压；经过查阅相关数据和实验得到在已有实验条件下200～400nm是最好的选择区间。使用特氟龙作为疏水层是因为特氟龙具有优良的化学稳定性、价格低廉、耐腐蚀等优点，并且采用涂覆法相对于金属气相沉积法、等离子体化学气相沉积法相比具有实验环境要求低、成本低廉、实验操作简单的优点。在上述技术方案中，所述上极板包括：硅片和涂覆于绝缘层上的疏水层。在上述技术方案中，所述导电拉压杆为不锈钢拉压杆，采用不锈钢拉压杆可以在保证拉压杆强度的同时，具有优异的导电性能。实施例1：一种采用上述的装置测量电场下固液界面前进后退角的方法，包括以下步骤：步骤一、所述步骤一的具体过程为：将表面镀有300nm的SiO2涂层的硅片切割为15mm×15mm标准样品，随后对标准样品进行超声波清洗5min，用吸水纸吸取表面的水分，将其干燥，保持表面干净清洁；将清洁后的标准样品置于台式匀胶机，旋涂特氟龙乳液；台式匀胶机旋涂参数为：低速500rmin状态下旋涂20s；高速3000rmin状态下旋涂30s；最后将旋涂过的实验样品放置于200℃烤箱中烘烤2h后待其自然冷却，得到下极板；将纯硅片样品表面喷涂疏水液，放置自然干燥，得到上极板；所述上极板的表面疏水性小于下极板的表面疏水性，即上极板的表面接触角小于下极板的表面接触角；采用这种方式，可以保证在上极板上升的过程中，将液滴与下极板完全脱离；步骤二、采用导电材料制作成导电拉压杆，使用导电凝胶将导电拉压杆的一端粘结于电动位移平台的伸缩平台上；所述导电拉压杆的制备方法为：取长度为100mm，外径为0.5mm，内径为0.25mm的不锈钢管制成导电拉压杆；步骤三、将上极板通过导电凝胶粘结在导电拉压杆的另一端，将下极板通过导电凝胶粘接在铜板上，并将铜板安装于水平底板上，使上极板与拉压杆、下极板和铜板分别处于导通状态，将电源的正极与导电拉压杆连接，负极与铜板连接；步骤四、在铜板表面的下极板的表面滴加待测液滴去离子水，调节电动位移平台使导电拉压杆末端的上极板位于液滴正上方约5mm处，开启电源设定电压值为0V；步骤五、开启高速摄像机记录实验过程，开启电动位移平台使其按0.015mms的速度下降，观察液滴在实验中的下极板接触线的变化，当待测液滴的下极板接触线发生明显移动后将电动位移平台的以0.015mms的速度向上移动，直至待测液滴与下极板样品完全脱离时停止电动位移平台的移动；该过程主要使上极板、下极板与待测液滴接触并完成合拢和分离动作，从而使待测液滴完成压缩和拉伸运动，使待测液滴的接触线发生向前和向后移动导出整个实验过程中高速摄像机所记录下的液滴的形态变化图像；步骤六、将高速摄像机采集的图像数据采用图像处理软件进行处理后，测量出液滴在受到压缩时和拉伸时的前进角和后退角。实施例2：所述步骤四中，开启电源设定电压值为50V；其余工艺参数和过程与实施例1中的完全相同。实施例3：所述步骤四中，开启电源设定电压值为75V；其余工艺参数和过程与实施例1中的完全相同。实施例4：所述步骤四中，开启电源设定电压值为100V；其余工艺参数和过程与实施例1中的完全相同。实施例5：所述步骤四中，开启电源设定电压值为125V；其余工艺参数和过程与实施例1中的完全相同。实施例6：所述步骤四中，开启电源设定电压值为150V；其余工艺参数和过程与实施例1中的完全相同。实施例7：所述步骤四中，开启电源设定电压值为200V；其余工艺参数和过程与实施例1中的完全相同。表1给出了实施例1～7得到的前进角的结果；表2给出了实施例1～7得到的后退角的结果；其中，每个实施例测试3组；表1表2本发明设计了一种测量电场下固液界面液滴前进后退角的方法。将待测液滴放置于两带电极板之间，液滴分别与两带电极板接触。两带电极板在做合拢或分离运动过程中将对待测液滴产生压缩或拉伸作用，从而导致待测液滴的接触线在极板上发生向前或向后运动，通过高速摄像机记录下液滴在受到压缩和拉伸时的形态变化，通过图像处理获得待测液滴在电场下的前进后退角。该方法对于上下极板、拉压装置、液滴种类、电场大小等参数可根据实验的具体情况进行调整，可进一步提高实验的准确性和兼容性，实现通过一个实验装置对多种液滴在不同环境下的前进后退角的测量，能很好的满足测量电场下固液界面液滴前进后退角的要求。尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

权利要求：1.一种测量电场下固液界面前进后退角的装置，其特征在于，包括：塑料透明操作箱；水平底板，其设置在塑料透明操作箱内；电动位移平台，其通过支撑架连接在水平底板的上方；且所述电动位移平台的伸缩平台朝向所述水平底板；铜板，其连接在水平底板上；下极板，其通过导电凝胶粘结在铜板上；导电拉压杆，其一端连接在电动位移平台的伸缩平台上，另一端通过导电凝胶粘结在上极板上，以使所述上极板位于下极板的上方，且所述上极板和下极板形成液滴容纳空间；电源，其设置在水平底板上，所述电源的正极与不锈钢拉压杆连接，负极与铜板连接；高速摄像机，设置在水平底板上，且所述高速摄像机的摄像头对准上极板和下极板形成的液滴容纳空间。2.如权利要求1所述的测量电场下固液界面前进后退角的装置，其特征在于，所述下极板包括：硅片、镀在硅片上的绝缘层和涂覆于绝缘层上的疏水层。3.如权利要求2所述的测量电场下固液界面前进后退角的装置，其特征在于，所述绝缘层为200～400nm的SiO2涂层，所述疏水层为特氟龙层。4.如权利要求1所述的测量电场下固液界面前进后退角的装置，其特征在于，所述上极板包括：硅片和涂覆于绝缘层上的疏水层。5.如权利要求1所述的测量电场下固液界面前进后退角的装置，其特征在于，所述导电拉压杆为不锈钢拉压杆。6.一种采用如权利要求1～5任一项所述的装置测量电场下固液界面前进后退角的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、将待测固体表面切割后得到极板原料，然后对极板原料进行清洗和干燥处理，采用极板原料制备下极板和上极板；步骤二、采用导电材料制作成导电拉压杆，使用导电凝胶将导电拉压杆的一端粘结于电动位移平台的伸缩平台上；步骤三、将上极板通过导电凝胶粘结在导电拉压杆的另一端，将下极板通过导电凝胶粘接在铜板上，并将铜板安装于水平底板上，使上极板与拉压杆、下极板和铜板分别处于导通状态，将电源的正极与导电拉压杆连接，负极与铜板连接；步骤四、在铜板表面的下极板上滴加待测液滴，调节电动位移平台使导电拉压杆末端的上极板位于液滴正上方约5mm处，开启电源设定电压值；步骤五、开启高速摄像机记录实验过程，开启电动位移平台使其按设定速度运动，使上极板、下极板与待测液滴接触并完成合拢和分离动作，从而使待测液滴完成压缩和拉伸运动，使待测液滴的接触线发生向前和向后移动；步骤六、将高速摄像机采集的图像数据进行处理后，测量出液滴在受到压缩时和拉伸时的前进角和后退角。7.如权利要求6所述的采用装置测量电场下固液界面前进后退角的方法，其特征在于，所述步骤一的具体过程为：将表面镀有200～400nm的SiO2涂层的硅片切割为15mm×15mm标准样品，随后对标准样品进行超声波清洗5min，用吸水纸吸取表面的水分，将其干燥，保持表面干净清洁；将清洁后的标准样品置于台式匀胶机，旋涂特氟龙乳液；台式匀胶机旋涂参数为：低速500rmin状态下旋涂20s；高速3000rmin状态下旋涂30s；最后将旋涂过的实验样品放置于200℃烤箱中烘烤2h后待其自然冷却，得到下极板；将纯硅片样品表面喷涂疏水液，放置自然干燥，得到上极板；所述上极板的表面疏水性小于下极板的表面疏水性，即上极板的表面接触角小于下极板的表面接触角。8.如权利要求6所述的采用装置测量电场下固液界面前进后退角的方法，其特征在于，所述导电拉压杆的制备方法为：取长度为80～150mm，外径为0.5mm，内径为0.25mm的不锈钢管制成导电拉压杆。9.如权利要求6所述的采用装置测量电场下固液界面前进后退角的方法，其特征在于，所述步骤四中，电压值为0～200V；所述步骤五中，电动位移平台的移动速度为0.01～0.02mms。

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