HB型接觸角測(cè)定儀

時(shí)間：2016-08-10作者：濟(jì)寧市科爾奇機(jī)電設(shè)備有限公司瀏覽：528

 


HB型接觸角測(cè)定儀

 

使

用

說(shuō)

明

書

 

 

 

 




目        錄

一、主要結(jié)構(gòu)及技術(shù)指標(biāo)·············································································································· 4

1、主要結(jié)構(gòu)·························································································································· 4

2、硬件性能指標(biāo)··················································································································· 5

1）工業(yè)相機(jī)··················································································································· 5

2）顯微鏡頭··················································································································· 5

3）調(diào)焦支架··················································································································· 5

4）下載物臺(tái)··················································································································· 5

5）上載物臺(tái)··················································································································· 5

6）滴液器······················································································································· 5

7）背光·························································································································· 6

3、軟件功能·························································································································· 6

1）拍照·························································································································· 6

2）視頻分析··················································································································· 6

3）接觸角測(cè)量················································································································ 6

4）表面能計(jì)算················································································································ 6

4、整機(jī)特征·························································································································· 6

二、接觸角概述···························································································································· 7

（一）潤(rùn)濕作用及接觸角······································································································· 7

（二）潤(rùn)濕過(guò)程····················································································································· 7

1、沾濕·························································································································· 7

2、浸濕·························································································································· 8

3、鋪展·························································································································· 8

（三）接觸角與潤(rùn)濕方程······································································································· 9

（四）接觸角的測(cè)定············································································································ 10

1、切線角度測(cè)量法······································································································· 10

2、弦高長(zhǎng)度測(cè)量法······································································································· 10

3、量角法····················································································································· 11

4、橢圓擬合法·············································································································· 11

1、增減滴體積法測(cè)量前進(jìn)角和后退角··········································································· 11

2、傾斜板法·················································································································· 11

三、儀器安裝······························································································································ 12

四、儀器操作······························································································································ 13

（一）、使用前的檢查········································································································· 13

（二）、軟件安裝與啟動(dòng)····································································································· 13

（三）、操作······················································································································· 14

1、軟件概述················································································································· 14

2、拍照與錄像功能操作方法。····················································································· 14

3、視頻截取操作·········································································································· 16

4、接觸角分析操作······································································································· 18

5、表面能計(jì)算方法······································································································· 23

五、使用注意事項(xiàng)······················································································································· 26

 

（使用前請(qǐng)仔細(xì)閱讀本說(shuō)明書?。?span>

HB接觸角測(cè)定儀用于對(duì)固體-液體-氣體三相界面間形成的接觸角進(jìn)行測(cè)定，進(jìn)而分析三相介質(zhì)之間的相互作用，并由此分析固體的表面能等數(shù)據(jù)。是熱力學(xué)、物理化學(xué)、表面化學(xué)*的儀器。

本接觸角測(cè)定儀采用高分辨率工業(yè)相機(jī)與顯微鏡頭，對(duì)固-液-氣三相界面進(jìn)行拍照，得到清晰的界面圖像。提供錄像功能，對(duì)于高速變化的界面可記錄變化的每一瞬間，然后通過(guò)任意速度的回放，抓取其變化的關(guān)鍵圖像進(jìn)行分析。軟件吸收了**較新接觸角測(cè)量接表面能計(jì)算方法，多種接觸角測(cè)量方法和表面能計(jì)算方法可直接進(jìn)行對(duì)比，以便找到符合該界面的理想的測(cè)量與計(jì)算方法。該儀器廣泛用于石油、化工、醫(yī)藥、造紙、染料等領(lǐng)域，適用于大專院校、科研院所、質(zhì)檢機(jī)構(gòu)、工廠礦業(yè)等部門使用。

一、主要結(jié)構(gòu)及技術(shù)指標(biāo)

1、主要結(jié)構(gòu)

儀器主要如圖1－1所示

圖1－1 接觸角測(cè)定儀主要結(jié)構(gòu)

 

2、硬件性能指標(biāo)

1）工業(yè)相機(jī)

色彩方式：黑白

較大分辨率：1280*960像素

較小分辨率：640*480像素

錄像幀頻：較高25FPS。

2）顯微鏡頭

變倍比：0.7~4.5X

放大倍數(shù)：30~130

工作距離：95mm

筒長(zhǎng)：168mm

視場(chǎng)角：18mm

3）調(diào)焦支架

F型調(diào)焦支架

調(diào)節(jié)范圍：60mm

4）下載物臺(tái)

移動(dòng)方式：手動(dòng)，平滑光學(xué)部件

載物臺(tái)尺寸：125*95mm

X方向（橫向）：80mm，精度0.1mm

Y方向（縱向）：30mm，精度0.1mm

Z方向（上下）：50mm

5）上載物臺(tái)

尺寸：70*45mm，一側(cè)圓角

6）滴液器

較小滴液體積分辨率：2.5μL

上下調(diào)節(jié)范圍：12mm

左右調(diào)節(jié)范圍：12mm

7）背光

半導(dǎo)體冷光源，量度連續(xù)可調(diào)

3、軟件功能

1）拍照

單張拍照、連續(xù)拍照（間隔時(shí)間任意設(shè)定）

拍照分辨率：1280*960、1024*768、800*600、640*480

大小圖預(yù)覽功能

圖像增益、亮度調(diào)節(jié)功能

錄像功能

2）視頻分析

播放速度任意可調(diào)

可單幀向前、向后播放

抓拍當(dāng)前幀圖像

3）接觸角測(cè)量

基本測(cè)量方法：切線法、弦高法、量角法、橢圓擬合法

擴(kuò)展測(cè)量方法：增減液滴法

顯示精度：0.1°

圖片亮度、對(duì)比度調(diào)整功能

圖片縮放功能

所有測(cè)繪線條可在合理范圍內(nèi)調(diào)整

4）表面能計(jì)算

提供Fowkes方法、Owens方法、Wu J.S方法、LW-AB方法、ZHU方法計(jì)算固體表面能

以表格方式存放計(jì)算結(jié)果，以文本文件格式保存數(shù)據(jù)到磁盤。

4、整機(jī)特征

電源：220V 50Hz 3A

外形尺寸：550×160×200（mm）

儀器凈重：約15Kg




二、接觸角概述

（一）潤(rùn)濕作用及接觸角

潤(rùn)濕（Wetting）是指在固體表面上一種液體取代另一種與之不相混溶的流體的過(guò)程。因此，潤(rùn)濕作用必然涉及三相，其中兩相是流體。常見(jiàn)的潤(rùn)濕現(xiàn)象是固體表面上氣體被液體取代的過(guò)程。

潤(rùn)濕是較常見(jiàn)的現(xiàn)象之一，也是人類生活與生產(chǎn)中的重要過(guò)程，可以毫不夸張地說(shuō)，若無(wú)潤(rùn)濕作用，則人類將難以生存。因?yàn)槿绻麤](méi)有潤(rùn)濕作用，動(dòng)植物的生命活動(dòng)便無(wú)法進(jìn)行（請(qǐng)?jiān)O(shè)想一下水對(duì)土壤及動(dòng)、植物機(jī)體不潤(rùn)濕的后果）。此外，潤(rùn)濕作用還是許多生產(chǎn)過(guò)程的基礎(chǔ)。例如機(jī)械潤(rùn)滑、注水采油、洗滌、印染、焊接等等，皆與潤(rùn)濕作用有密切關(guān)系，當(dāng)然，在人類的生活和生產(chǎn)中也不總是要求潤(rùn)濕，有時(shí)倒是需要其反面。例如礦物浮選常常要求有用礦物不為水所潤(rùn)濕；防雨布、防水及抗粘涂層等都要求形成不被潤(rùn)濕的表面。

那么，液體在什么條件下可以潤(rùn)濕固體，怎樣改變液體和固體的潤(rùn)濕性質(zhì)以滿足人們的需要？這就要研究固體和液體、氣體之間的接觸特性。

另外，由于潤(rùn)濕現(xiàn)象是固體表面結(jié)構(gòu)與性質(zhì)、液體表面與界面性質(zhì)以及固液兩相分子間相互作用等微觀特性的宏觀表現(xiàn)，潤(rùn)濕現(xiàn)象的研究可以為了解不易得到的固體表面性質(zhì)提供有用的知識(shí)。

液體對(duì)固體的潤(rùn)濕特性可以通過(guò)固液氣三相的接觸角來(lái)衡量，通過(guò)接觸角的測(cè)定還可以分析固體表面的表面能、表面張力等許多特性，所有在研究液體對(duì)固體的潤(rùn)濕特性和固體的表面特性時(shí)，不可避免的要涉及到接觸角的測(cè)定。

（二）潤(rùn)濕過(guò)程

潤(rùn)濕過(guò)程可以分為三類：沾濕（adhesion）、浸濕（immersion）和鋪展（spreading），它們各自在不同的實(shí)際問(wèn)題中起作用。下面分別討論這些過(guò)程的實(shí)質(zhì)及自動(dòng)進(jìn)行的條件。

1、沾濕

指液體與固體從不接觸到接觸、變液氣界面和固氣界面為固液界面的過(guò)程（圖2－1）。例如農(nóng)藥噴霧能否有效地附著到植物枝葉上？雨滴會(huì)不會(huì)沾在衣服上？此皆沾濕過(guò)程能否自動(dòng)進(jìn)行的問(wèn)題。

設(shè)形成的接觸面積為單位值，此過(guò)程中體系自由能降低（-△G）應(yīng)為：

      （2－1）

式中，為氣固界面自由能；為液體表面自由能；為固液界面自由能；稱為黏付功，是沾濕過(guò)程體系對(duì)外所能作的較大功，也是將接觸的固體和液體自交界處拉開(kāi)，外界所需作的較小功。顯然，此值越大則固體和液體結(jié)合越牢。故值反映固液界面結(jié)合能力及兩相分子間相互作用力的大小。根據(jù)熱力學(xué)*二定律，在恒溫壓條件下，>0的過(guò)程為**過(guò)程。這也就是沾濕發(fā)生的條件。

2、浸濕

指固體浸入液體中的過(guò)程。洗衣時(shí)把衣服泡在水中就是浸濕的過(guò)程。此過(guò)程的實(shí)質(zhì)是固氣界面為固液界面所代替，而液體表面在此過(guò)程中沒(méi)有變化，如圖2－2所示。在浸濕面積為單位值時(shí)，此過(guò)程的自由能降低值為：

      （2－2）

稱作浸潤(rùn)功，它反映液體在固體表面上取代氣體（或另一種與不相混溶的流體）的能力，>0是浸濕過(guò)程能否自動(dòng)進(jìn)行的判據(jù)。

3、鋪展

多種工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用涂布工藝，其目的在于在固體基底上均勻地形成*體薄層。這時(shí)不僅要求液體能附著于植物枝葉上生產(chǎn)藥效，而且能自行鋪展，以便覆蓋面積較大，達(dá)到較好的植物保護(hù)效果。鋪展過(guò)程的實(shí)質(zhì)是以固液界面代替氣固界面的同時(shí)還擴(kuò)展了氣液界面（圖2－3）。當(dāng)鋪展面積為單位值時(shí)體系自由能降低為

    （2－3）

S稱為鋪展系數(shù)，在恒溫壓下，S>0時(shí)液體可以在固體表面上自動(dòng)展開(kāi)，連續(xù)地從固體表面上取代氣體。只要用量足夠，液體將會(huì)自行鋪滿固體表面。將式2－2和式2－3結(jié)合可得

此式說(shuō)明若要鋪展系統(tǒng)S>0，則必須大于。是液體的表面張力，表征液體收縮表面的能力。與之相應(yīng)，則體現(xiàn)了固體與液體間粘附的能力。因此，又稱之為黏附張力，用符號(hào)A來(lái)代表

    （2－4）

三種潤(rùn)濕過(guò)程自發(fā)進(jìn)行的條件皆可以用黏附張力來(lái)表示

    （2－5）

         （2－6）

      （2－7）

由于液體的表面張力總是正值，對(duì)于同一體系>>S，故凡能自行鋪展的體系，其它潤(rùn)濕過(guò)程皆可自動(dòng)進(jìn)行。因而常以鋪展系數(shù)為體系潤(rùn)濕指標(biāo)。

從式2－5、2－6、2－7還可以看出，固體表面能對(duì)體系潤(rùn)濕特性的影響都是通過(guò)黏附張力A來(lái)起作用。其共同的規(guī)律是：固氣界面能越大、固液界面能越小，也就是黏附張力越大，越有利于潤(rùn)濕。液體表面張力對(duì)三種潤(rùn)濕過(guò)程的影響各不同：對(duì)于沾濕大有利，對(duì)于鋪展小有利，而對(duì)于浸濕則大小與之無(wú)關(guān)系。

從上述內(nèi)容應(yīng)該得出一個(gè)結(jié)論：根據(jù)有關(guān)界面能的數(shù)值可判斷各種潤(rùn)濕過(guò)程能否自動(dòng)進(jìn)行；再通過(guò)改變相應(yīng)的界面能的辦法即可達(dá)到所需要的潤(rùn)濕效果。但實(shí)際卻關(guān)非如此簡(jiǎn)單，且不說(shuō)隨意改變各種界面能并非易事，就是有關(guān)各界面能的數(shù)值也不是都能求之即得的。在三種界面中只有液體表面張力可以方便地測(cè)定。因此應(yīng)用上述潤(rùn)濕判斷實(shí)際上是困難的。然而，在固液接觸存在接觸角的情況下，在很久以前人們已經(jīng)找出接觸角與有關(guān)界面能的關(guān)系，為研究潤(rùn)濕現(xiàn)象提供了方便。

（三）接觸角與潤(rùn)濕方程

將液滴滴于固體表面上，液體或鋪展而覆蓋固體表面，或形成一液滴停于其上，如圖2－4所示，隨體系性質(zhì)而異。所形成液滴的形狀可以用接觸角來(lái)描述。接觸角是在固、液、氣三相交界處，自固液界面經(jīng)液體內(nèi)部到氣液界面的夾角，以θ表示。平衡接觸角與三個(gè)界面自由能之間有如下關(guān)系：

    （2－8）

此式較早由T.Young在1805年提出的，常稱為揚(yáng)氏方程。它是潤(rùn)濕的基本公式，亦稱為潤(rùn)濕方程?？梢钥醋魇侨嘟唤缣幦齻€(gè)界面張力平衡的結(jié)果。此關(guān)系適用于具有固液、固氣連續(xù)表面的平衡體系。盡管用力學(xué)方法導(dǎo)出的潤(rùn)濕方程是完全正確的，但由于固體界面的不均勻性，固液及固氣界面張力的性質(zhì)不易了解，人們用多種熱力方法導(dǎo)出潤(rùn)濕方程。下面介紹其中的一種。

設(shè)停于固體表面上液滴在平衡條件下擴(kuò)大固液界面面積dA，相應(yīng)的氣液界面面積的增值為dAcos(θ-dθ)（如圖2－5所示），體系自由能變化為

導(dǎo)出此式時(shí)因?yàn)?/span>dθ值很小而加以忽略。由于是在平衡條件下的變化，故△G=0，于是

即得潤(rùn)濕方程。

將潤(rùn)濕方程與式2－1、2－2、2－3結(jié)合則得

    （2－10）

     （2－11）

      （2－12）

因此，原則上說(shuō)，測(cè)定了液體表面張力和接觸角即可得到黏附功、黏附張力和鋪展系數(shù)的數(shù)值，從而解決了應(yīng)用各種潤(rùn)濕判斷的困難。從式2－10、2－11、2－12不難看出接觸角的大小是很好的潤(rùn)濕標(biāo)準(zhǔn)。接觸角越小潤(rùn)濕性能越佳。習(xí)慣上常將θ=90°定為潤(rùn)濕與否的標(biāo)準(zhǔn)。θ>90°為不潤(rùn)濕，θ<90°為潤(rùn)濕，平衡接觸角等于0或不存在為鋪展。

（四）接觸角的測(cè)定

測(cè)定接觸角有許多種方法，可根據(jù)直接測(cè)定的物理量分為四大類：靜滴法（角度測(cè)量法）、長(zhǎng)度測(cè)量法、力測(cè)量法、透過(guò)測(cè)量法。**種適用于連續(xù)的平固體表面，后一種方法可用于粉末固體表面的接觸角測(cè)定。本儀器支持以下基本測(cè)試方法。

1、切線角度測(cè)量法

這是應(yīng)用較廣泛，也是較直接的一類方法，如圖2－6所示，在固體表面滴一滴液體，通過(guò)儀器進(jìn)行拍照，然后把液滴與固體表面接近的部分看作圓弧，在軟件支持下對(duì)這個(gè)圓弧做切線，然后測(cè)量該切線與固體表面角度。該方法的優(yōu)點(diǎn)是過(guò)程簡(jiǎn)單、測(cè)量方便，能適應(yīng)不同角度的液滴。缺點(diǎn)是人為的誤差比較大。

2、弦高長(zhǎng)度測(cè)量法

為避免作切線的困難，消除人為操作的誤差，發(fā)展了從長(zhǎng)度測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算出接觸角的方法，它的依據(jù)是對(duì)于小的液滴，其外形可以看作是球形的一部分，在液滴拍照的圖片上測(cè)出液滴的高度和底面的長(zhǎng)度，如圖2－7所示，即可根據(jù)下式求得接觸角。

或

這種方法的前提是液滴足夠小，其重力影響可以忽略不計(jì)，此時(shí)液滴邊緣在表面張力作用下是球體的一部分。

3、量角法

量角法是使用軟件模擬直角尺，通過(guò)直角尺的移動(dòng)及旋轉(zhuǎn)測(cè)量出圓球的切線角度。如圖2-8所示，首先畫出直角量角器，使其與液滴圓相切，如圖2-8A所示。然后向下移動(dòng)量角器，使其直角**與液滴圓的**重合，如圖2-8B所示。再以直角**點(diǎn)為原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)量角器，讓它的一條直角邊和相鄰的三相交界點(diǎn)重合，根據(jù)旋轉(zhuǎn)的角度就可以計(jì)算出接觸角，如圖2-8C所示。

該方法的特點(diǎn)與弦高長(zhǎng)度法相同，優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量比較準(zhǔn)確，人為因素影響小。但要求液滴基本為圓形，且滴落在水平的平面上。

4、橢圓擬合法

當(dāng)液滴滴在平面上后，受重力影響，會(huì)下沉為橢圓形，當(dāng)形狀變化比較大時(shí)，弦高長(zhǎng)度法和量角法將不適用，這時(shí)可以使用本方法，本方法如圖2-9所示，是把液滴外部輪廓看作橢圓，繪制一個(gè)和它非常接近的橢圓，即可根據(jù)橢圓和它的平面線求出其切線，并計(jì)算出接觸角。

 

接觸角測(cè)量還可以擴(kuò)展出一下方法：

1、增減滴體積法測(cè)量前進(jìn)角和后退角

實(shí)際固體表面一般都是非理想表面，或大或小總會(huì)出現(xiàn)接觸角的滯后現(xiàn)象，因此，一般需要同時(shí)測(cè)定接觸角的前進(jìn)角和后退角，如圖2－10所示，通過(guò)注液器來(lái)控制液滴的體積，同時(shí)進(jìn)行連續(xù)拍照，當(dāng)增加液滴體積時(shí)可測(cè)出前進(jìn)角，減少液滴體積時(shí)可測(cè)出后退角。注意在測(cè)定時(shí)要把毛細(xì)管**插入液滴中。

2、傾斜板法

通過(guò)本方法也可以測(cè)量接觸角的前進(jìn)角和后退角，其主要思路是在固體表面滴上液體，然后將固體表面進(jìn)行一定角度的傾斜，這時(shí)液滴的形狀如圖2－11所示；則在液滴比較大的一端測(cè)出前進(jìn)角，另一端測(cè)出后退角。




三、儀器安裝

設(shè)備拆箱后，首先對(duì)照裝箱單檢查附件是否齊全，若缺少附件，請(qǐng)立即與本公司聯(lián)系。

將接觸角測(cè)定儀主機(jī)安裝在平穩(wěn)無(wú)振動(dòng)的工作臺(tái)上，并根據(jù)水平儀的指示把設(shè)備調(diào)到水平狀態(tài)。

按照如下順序安裝附件：

1、             將工業(yè)相機(jī)和顯微鏡頭組件安裝到調(diào)焦支架上，并確保安裝牢固，工業(yè)相機(jī)應(yīng)處于水平位置，若不能確定，可在軟件安裝好后根據(jù)基線進(jìn)行調(diào)整。

2、             將滴液器組件從中間滾花位置擰開(kāi)，將附帶的注射器吸入測(cè)試用液體，然后安裝好，并讓針頭向上，旋轉(zhuǎn)測(cè)微頭，把針管中的空氣排出。再把滴液器安裝到滴液器架上，緊固。

3、             把電腦安裝在設(shè)備的附近，然后按下圖3－1的接口說(shuō)明將接觸角測(cè)定儀和電腦連接起來(lái)。接觸角測(cè)定儀和電腦都使用單相三線制電源，要有可靠的接地保護(hù)。


四、儀器操作

（一）、使用前的檢查

l         各信號(hào)及控制線連接無(wú)誤。

l         電腦和儀器電源連接可靠，并有良好接地。

l         再次檢查儀器是否處于水平狀態(tài)。

l         打開(kāi)儀器主機(jī)電源，調(diào)整背光燈，使背光燈的亮度處于適中位置。

（二）、軟件安裝與啟動(dòng)

先從電腦USB接口拔下工業(yè)相機(jī)的連接線，然后打開(kāi)電腦電源，待系統(tǒng)啟動(dòng)完畢，插入工業(yè)相機(jī)連接線，這是電腦會(huì)提示“發(fā)現(xiàn)新硬件”，然后把隨機(jī)帶的軟件盤插入到電腦光驅(qū)中，*驅(qū)動(dòng)程序的位置，安裝工業(yè)相機(jī)的驅(qū)動(dòng)軟件。

然后找到隨機(jī)軟件盤中的“setup.exe”程序，雙擊安裝。安裝時(shí)可能電腦會(huì)從網(wǎng)絡(luò)下載較新軟件，請(qǐng)保證網(wǎng)絡(luò)的暢通。安裝過(guò)程完全安裝默認(rèn)安裝即可。

安裝完畢桌面會(huì)出現(xiàn)圖標(biāo)，安裝完成。雙擊該圖標(biāo)，進(jìn)入軟件。進(jìn)入軟件后的界面如圖4－1所示。

如果在啟動(dòng)軟件是沒(méi)有安裝好攝像機(jī)，會(huì)出現(xiàn)如下提示：

圖4-2 攝像機(jī)沒(méi)有正確安裝提示

進(jìn)入軟件后拍照與錄像功能將被禁用。

 

（三）、操作

1、軟件概述

本軟件功能分為四個(gè)部分，分別為“拍照與錄像”、“視頻截取”、“接觸角分析”、“表面能計(jì)算”。

（1）拍照與錄像

這部分功能用來(lái)控制攝像機(jī)，進(jìn)行視頻調(diào)節(jié)、拍照、連續(xù)拍照及對(duì)操作過(guò)程進(jìn)行錄像。

（2）視頻截取

用來(lái)打開(kāi)**部分功能錄制的錄像文件，以任意速度進(jìn)行回放、逐幀回放、截取一幀圖像保存為圖片。

（3）接觸角分析

用來(lái)打開(kāi)**、二部分拍照到的圖片，進(jìn)行接觸角分析測(cè)量，提供四種接觸角基本測(cè)量方法：切線法、弦高法、量角法、橢圓擬合法，并支持增減液滴測(cè)量前進(jìn)角和后退角的擴(kuò)展方法。并可以保存分析結(jié)果數(shù)據(jù)、分析結(jié)果圖片。

（4）表面能計(jì)算

提供Fowkes方法、Owens方法、Wu S.J方法、LW-AB方法、ZHU方法進(jìn)行表面能計(jì)算。并可以把各種計(jì)算方法得到的結(jié)果保存到同一個(gè)表格中進(jìn)行對(duì)比，也可將本表格以文本文件的形式保存到磁盤中。

2、拍照與錄像功能操作方法。

單擊左上角的“拍照與錄像”按鈕，進(jìn)入拍照錄像功能。該功能界面如圖4-1所示。

（1）、基本調(diào)整過(guò)程

單擊按鈕，攝像機(jī)的視屏圖像會(huì)在視頻監(jiān)控窗口中顯示出來(lái)。單擊按鈕，攝像機(jī)的視頻會(huì)同時(shí)顯示到視頻監(jiān)控大窗口中。

此時(shí)向光源的反方向（下稱“向后”）調(diào)節(jié)調(diào)焦手輪，并逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)鏡頭上的調(diào)焦環(huán)，使圖像的視場(chǎng)角變大。上下調(diào)整載物臺(tái)高度，使載物臺(tái)（如果沒(méi)有使用上載物臺(tái)，則以下載物臺(tái)為準(zhǔn)，否則以上載物臺(tái)為準(zhǔn)）的上邊緣位于圖像中線位置，結(jié)合調(diào)焦手輪和調(diào)焦環(huán)，使載物臺(tái)的邊緣變清晰。仔細(xì)觀察載物臺(tái)的邊緣與圖像中線是否平行，如果不平行，請(qǐng)調(diào)整鏡頭的安裝角度，使之平行。平行與否會(huì)影響到弦高法和量角法的測(cè)量精度。

向下調(diào)整滴液器的位置，使針頭接近載物臺(tái)平面，左右調(diào)整滴液器，直到針頭的圖像出現(xiàn)在圖像的中間位置，基本調(diào)節(jié)完成。

（2）基本拍照方法（靜滴拍照）

該方法的原則是使用盡可能少的制定量的液體滴在固體上進(jìn)行拍照。將被測(cè)試樣準(zhǔn)備好，試樣要平整，呈薄片狀，平放在載物臺(tái)上，并調(diào)節(jié)載物臺(tái)的高度，讓試樣的上邊緣處于圖像的中線位置。順時(shí)針旋轉(zhuǎn)滴液器上的測(cè)微頭，在針管中充滿液體，沒(méi)有氣泡的情況下，每向右旋轉(zhuǎn)一個(gè)刻度，推出的液體為2.5μL，當(dāng)一定量的液體被推出，在針頭部位形成液滴時(shí)，旋轉(zhuǎn)載物臺(tái)升降手輪讓試樣上升并接觸液滴，這樣液滴將滴在試樣上，再讓試樣下降到圖像中線以下，并調(diào)節(jié)調(diào)焦手輪和變焦環(huán)，使圖像清晰。如果圖像對(duì)比度太大或太小，請(qǐng)結(jié)合背光亮度、增益量、曝光量進(jìn)行調(diào)整。然后點(diǎn)擊按鈕進(jìn)行拍照。

（3）增減液滴法測(cè)前進(jìn)角和后退角的操作

       因增減液滴法屬于動(dòng)態(tài)過(guò)程，較好以錄像的方式將操作過(guò)程錄制下來(lái)，然后再逐幀分析，抓取較具典型意義的圖片進(jìn)行分析。

       按基本調(diào)整方法將儀器調(diào)整好，向下移動(dòng)滴液器，使針頭基本接觸到試樣平面，然后調(diào)整焦距和變焦使針頭處于畫面中心并處于較清晰的位置。

       如果操作過(guò)程三相作用過(guò)程變化較快，建議選擇較低的分辨率并關(guān)閉大圖視頻，這樣可以提高幀頻率。單擊按鈕，然后旋轉(zhuǎn)滴液器測(cè)微頭，向固體試樣增加液體，液滴體積增加到一定程度后，向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)測(cè)微頭，將液體吸回到針管中。液滴減小到一定程度后，單擊按鈕停止錄像并自動(dòng)保存。保存后的錄像文件可在“視頻截取”中進(jìn)行分析抓取照片。

（4）連續(xù)拍照的操作

       有些操作中，固液氣三相作用變化過(guò)程非常緩慢，要記錄這個(gè)過(guò)程中的高清晰圖片，適合使用的方法就是定時(shí)拍照。按照前述方法調(diào)整好儀器，設(shè)定定時(shí)拍照時(shí)間，注意時(shí)間單位是0.1S，然后單擊按鈕，開(kāi)始定時(shí)拍照。這樣會(huì)把操作過(guò)程用照片記錄下來(lái)。

（5）拍照與錄像功能詳解

       按鈕：打開(kāi)攝像機(jī)，在監(jiān)控窗口顯示視頻。

按鈕：關(guān)閉攝像機(jī)，并清除視頻顯示。

按鈕：打開(kāi)大圖視頻，同時(shí)在監(jiān)控窗口和大圖窗口顯示視頻。

按鈕：關(guān)閉大圖視頻。

按鈕：將當(dāng)前視頻幀保存為照片，照片文件名為當(dāng)前日期時(shí)間，格式為BMP位圖格式。文件保存位置由*。

按鈕：根據(jù)定時(shí)時(shí)間的設(shè)置進(jìn)行定時(shí)拍照。照片文件名為當(dāng)前日期時(shí)間加4位隨機(jī)數(shù)，格式為BMP位圖格式。文件保存位置由照片路徑*。

按鈕：開(kāi)始錄像，錄像格式為AVI格式，文件名為當(dāng)前日期時(shí)間，文件保存位置由照片路徑*。

按鈕：停止錄像并保存錄像文件。

：*定時(shí)拍照時(shí)兩張照片之間的間隔時(shí)間。

：*照片與視頻文件保存位置。單擊按鈕選擇路徑。

：用于選擇圖像的分辨率，分辨率支持1280*960、1024*768、800*600、640*480四種，一般在錄像狀態(tài)時(shí)為提高幀頻率，要設(shè)置較小的分辨率。

：調(diào)整每一幀的曝光時(shí)間，相當(dāng)于普通相機(jī)的快門時(shí)間，當(dāng)被測(cè)目標(biāo)有較快變化時(shí)，要減小該時(shí)間，以避免圖像拖尾，獲得較清晰的圖像。目標(biāo)物體變化較慢時(shí)，可適當(dāng)增大該值，提高圖像亮度。

：提高CCD器件的電平輸出增益，可以提高圖像的對(duì)比度。

3、視頻截取操作

視頻截取操作界面如圖4-3所示，其操作步驟按照?qǐng)D中標(biāo)明的步驟進(jìn)行。

 

 

按鈕：回到視頻開(kāi)頭。

按鈕：向前回一幀。

按鈕：按設(shè)定速度播放。

按鈕：向后進(jìn)一幀。

按鈕：暫停播放。

按鈕：停止播放，回到開(kāi)頭。

：播放速度控制。

：將視頻同時(shí)顯示到大圖的為位置。

4、接觸角分析操作

（1）接觸角分析界面功能

接觸角分析主界面如圖4-4所示，其各部分功能如圖標(biāo)注所示。

 

圖片選擇：?jiǎn)螕?/span>右側(cè)的選擇按鈕，選擇圖片存放路徑，該路徑下的圖片文件會(huì)自動(dòng)被檢索到文件列表框中。雙擊圖片列表框中的文件名，圖片顯示到右側(cè)的圖片分析區(qū)中。

圖片調(diào)整：?jiǎn)螕?/span>、按鈕進(jìn)行圖片縮放，調(diào)整“對(duì)比度”和“亮度”條，可以改變圖像亮度和對(duì)比度，使其較容易分析。

接觸角測(cè)量方法選擇：?jiǎn)螕魧?duì)應(yīng)的接觸角測(cè)量方法，接觸角測(cè)量工具欄會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的測(cè)量工具。

圖片分析區(qū)：在該區(qū)域中顯示大圖，并用接觸角測(cè)量工具在此區(qū)域中繪制測(cè)繪線段，顯示測(cè)量結(jié)果。

（2）圖形繪制的基本方法

在測(cè)量接觸角時(shí)，要使用軟件提供的各種畫圖工具繪制輔助線，只有圖形繪制正確，才能精確測(cè)量接觸角。繪制圖形的要點(diǎn)是：

2        單擊工具欄上的繪圖工具。

2        在圖像窗口單擊，確定圖形起點(diǎn)。

2        拖動(dòng)鼠標(biāo)到圖形終點(diǎn)，結(jié)束圖形繪制。

2        單擊圖形，圖形上顯示方形控制點(diǎn)，表示圖形被選中。

2        拖動(dòng)選中后的圖形可以移動(dòng)圖形。

2        拖動(dòng)圖形上的控制點(diǎn)可以旋轉(zhuǎn)圖形或改變圖形的大小。

（3）切線法測(cè)量接觸角

切線法的工具欄如圖4-5所示，本方法是通過(guò)幾何作圖的方式，對(duì)圖像做出水平基線和左右三相交點(diǎn)處圓弧的切線，由軟件計(jì)算切線和基線的接觸角。

 

以做左切線為例，說(shuō)明測(cè)量過(guò)程：首先單擊繪制基線，基線是和固體上表面重合的一條直線，它在接觸角計(jì)算過(guò)程中代表固體平面，所以要和固體平面嚴(yán)格重合，本方法中基線只能是水平線，且長(zhǎng)度對(duì)測(cè)量結(jié)果沒(méi)有影響。繪制完成后的結(jié)果如圖4-6所示，如果基線位置沒(méi)有良好地和固體平面重合，可以調(diào)整該線段的位置。

再單擊按鈕繪制切線，切線繪制的原則是以三相交界點(diǎn)為圓的切點(diǎn)，繪制圓的切線，如果繪制完成發(fā)現(xiàn)沒(méi)有良好相切，可以選定切線重新調(diào)整，如圖4-7所示。

切線繪制完成，請(qǐng)單擊按鈕計(jì)算接觸角，角度信息會(huì)自動(dòng)顯示在圖像上，如圖4-8所示。角度標(biāo)定完成后圖形將不可以選定和移動(dòng)，如果想調(diào)整線條，可以刪除標(biāo)定的角度，即可以選定圖形。

每一種線條繪制按鈕的右側(cè)都對(duì)應(yīng)著一個(gè)刪除按鈕，如果向刪除對(duì)應(yīng)的圖形和角度，單擊該按鈕即可。

右切線的繪制方法和左切線相同，因?yàn)閳D形在一般情況下是對(duì)稱的，左接觸角和右接觸角的值是相同的。

角度測(cè)量完成后，若要保存該值，有兩種方法，一是單擊按鈕，將計(jì)算結(jié)果添加到測(cè)試結(jié)果表格，再單擊按鈕保存到磁盤。另一種方法是單擊按鈕，直接將繪制好線條的圖片保存，以嵌入到其他文檔、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等文件中使用。

（4）弦高法測(cè)量接觸角

弦高法也稱長(zhǎng)度測(cè)量法，它的原理見(jiàn)本說(shuō)明書的*二部分。在接觸角測(cè)量方法位置單擊弦高法，填出如圖4-9所示的工具欄，其含義如圖標(biāo)注所示。

測(cè)量過(guò)程：

單擊按鈕，從圖形中一個(gè)三相交界點(diǎn)繪制到另一個(gè)三相交界點(diǎn)，形成液滴圓的弦。注意這種測(cè)量方法是和線段長(zhǎng)度相關(guān)的，所以三相交界點(diǎn)要準(zhǔn)確，通過(guò)調(diào)整線段，使線段端點(diǎn)精確重合到三相交界點(diǎn)處。

單擊按鈕，從液滴圓弧的較高點(diǎn)向弦繪制垂線作為圓弧的高，高線的上端點(diǎn)要與液滴圓弧的高點(diǎn)重合，高線的下端點(diǎn)與液滴圓的弦重合，如果有不精確的地方，請(qǐng)調(diào)整。

繪制完成，請(qǐng)單擊按鈕，會(huì)自動(dòng)求出接觸角，在左側(cè)三相交界點(diǎn)繪制示意切線，標(biāo)出角度信息。完成的結(jié)果如圖4-10所示。

角度測(cè)量完成后，若要保存該值，有兩種方法，一是單擊按鈕，將計(jì)算結(jié)果添加到測(cè)試結(jié)果表格，再單擊按鈕保存到磁盤。另一種方法是單擊按鈕，直接將繪制好線條的圖片保存，以嵌入到其他文檔、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等文件中使用。

（5）量角法測(cè)量接觸角

量角法工具欄及其功能如圖4-11所示。

量角法測(cè)量步驟如下：

A、單擊按鈕后，在圖像分析區(qū)任意位置繪制量角器。量角器繪制完成，會(huì)自動(dòng)彈出提示“是否結(jié)束繪制量角器步驟，進(jìn)入與圖形相切步驟？”，如果感覺(jué)量角器大小不合適，單擊“否”按鈕調(diào)整量角器，否則單擊“是”按鈕進(jìn)入下一步。本步驟如圖4-12所示。

B、移動(dòng)量角器。用鼠標(biāo)拖動(dòng)量角器，讓它的兩條直角邊與液滴圓相切，調(diào)整好后放開(kāi)鼠標(biāo)，彈出提示“是否進(jìn)入尋找圖形**操作？”。單擊“否”按鈕，繼續(xù)調(diào)整圖形位置，單擊“是”按鈕，


進(jìn)入下一步。本步驟如圖4-13所示。

C、拖動(dòng)量角器，使量角器的直角**與液滴圓的較高點(diǎn)重合。此時(shí)量角器只能上下垂直方向拖動(dòng)。直角**與液滴圓較高點(diǎn)重合后，放開(kāi)鼠標(biāo)左鍵，彈出提示“是否進(jìn)入尋找圖形左側(cè)交界點(diǎn)操作？”，單擊“否”按鈕繼續(xù)調(diào)整圖形，單擊“是”按鈕進(jìn)入下一步。本步驟如圖4-14所示。

D、拖動(dòng)量角器左側(cè)直角邊的控制點(diǎn)，使量角器旋轉(zhuǎn)到左側(cè)直角邊端點(diǎn)與液滴圖形左側(cè)三相交界點(diǎn)重合，放開(kāi)鼠標(biāo)鍵，彈出提示“是否完成？”，單擊“否”按鈕繼續(xù)調(diào)整圖形，單擊“是”按鈕進(jìn)入下一步。本步驟如圖4-15所示。在本步驟調(diào)整時(shí)只能以直角**為軸旋轉(zhuǎn)量角器，不可以任意移動(dòng)。

量角器繪制完成后，單擊按鈕，軟件會(huì)自動(dòng)計(jì)算角度，生成一條輔助線并在圖形中標(biāo)注出來(lái)，結(jié)果如圖4-16所示。

角度測(cè)量完成后，若要保存該值，有兩種方法，一是單擊按鈕，將計(jì)算結(jié)果添加到測(cè)試結(jié)果表格，再單擊按鈕保存到磁盤。另一種方法是單擊按鈕，直接將繪制好線條的圖片保存，以嵌入到其他文檔、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等文件中使用。

（6）橢圓擬合法測(cè)量接觸角

弦高法和量角法都是建立在液滴圓非常接近于圓的假設(shè)基礎(chǔ)上，當(dāng)液滴圓明顯偏離圓形時(shí)，由于力的對(duì)稱性的存在，在固體表面基本均勻的情況下，可以把它看作是橢圓，此時(shí)適用橢圓擬合法進(jìn)行角度測(cè)量。

橢圓擬合法的工具欄及其作用如圖4-17所示。

橢圓擬合法測(cè)量過(guò)程如下：

單擊按鈕，在固體平面上繪制基線，基線要與平面重合，其長(zhǎng)度大于液滴圓的弦。

單擊按鈕，繪制橢圓，然后拖動(dòng)橢圓的四個(gè)控制點(diǎn)調(diào)整橢圓的形狀和大小，使之與液滴圓的邊緣重合，若某一控制點(diǎn)移到畫面外部，請(qǐng)拖動(dòng)橢圓，露出控制點(diǎn)后再調(diào)整，然后再拖動(dòng)到原來(lái)的位置。

橢圓繪制完成后，單擊按鈕生成接觸角信息及輔助線，接觸角會(huì)顯示在畫面上。測(cè)量結(jié)果如圖4-18所示。

角度測(cè)量完成后，若要保存該值，有兩種方法，一是單擊按鈕，將計(jì)算結(jié)果添加到測(cè)試結(jié)果表格，再單擊按鈕保存到磁盤。另一種方法是單擊按鈕，直接將繪制好線條的圖片保存，以嵌入到其他文檔、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等文件中使用。




5、表面能計(jì)算方法

（1）、Fowkes方法

由Fowkes于1964年提出，他把表面張力分解為兩種力：London色散力（disperse）和由偶較作用力、氫鍵以及誘導(dǎo)力等組成的極性力(polar)。該方法中認(rèn)為只有色散力對(duì)固液界面起作用，結(jié)合Young-Dupre方程，得到方程：

：固氣界面色散力

：液氣界面自由能

本方法適用于液體和固體中有一相或兩相都為非極性物質(zhì)的測(cè)試，只需一次試驗(yàn)。

本軟件計(jì)算方法為，單擊上方導(dǎo)航按鈕的按鈕，進(jìn)入表面能計(jì)算界面，在Fowkes方法界面中輸入或選擇液相介質(zhì)名稱，如果選擇介質(zhì)名稱，其表面張力會(huì)自動(dòng)填到“表面張力”一欄中，如果使用選項(xiàng)中沒(méi)有的介質(zhì)，則要輸入該液體的表面張力；然后輸入測(cè)得的接觸角度，單擊按鈕，相應(yīng)結(jié)果會(huì)出現(xiàn)在按鈕下方的“固體表面能”一欄中。單擊按鈕，將計(jì)算結(jié)果添加到下方的表格中。其操作界面如圖5- 1所示。

 

（2）、幾何平均法【Owens & Wendt】

1969年，Owens和Wendt發(fā)展了Fowkes方法，本方法認(rèn)為在液固界面上除存在London色散力外，還存在包括誘導(dǎo)力、取向力及氫鍵在內(nèi)的極性作用，將色散力和極性力綜合運(yùn)算，得到方程：

：固氣界面的色散力。

：液氣界面的色散力。

：固氣界面的極性力。

：液氣界面的極性力。

：液氣界面的表面自由能（表面張力）。

本方程有兩個(gè)變量，分別為和，需要進(jìn)行兩次不同液體對(duì)同一固體界面進(jìn)行測(cè)試，解聯(lián)立方程得到固氣界面的色散力和極性力，得到固體的表面自由能。

該方法比較簡(jiǎn)單，但隨配對(duì)液體的不同，計(jì)算結(jié)果會(huì)有較大不同。究其原因可能是由于幾何平均法簡(jiǎn)單地把氫鍵同偶較、誘導(dǎo)力等極性作用歸為一類用幾何平均公式表達(dá)，實(shí)際上氫鍵來(lái)源于分子中特殊的不對(duì)稱電荷分布，是一種非對(duì)稱性的作用。

表一  常用液體的表面張力、色散力與極性力

名稱
純水	72.8	26.4	46.4
二碘甲烷	50.8	50.8	0

本方法操作界面如圖5- 2所示，需要分別輸入兩種液體的相關(guān)參數(shù)，才可以計(jì)算固體的表面能。也稱Owens二液法。

 

 

（3）、調(diào)和平均法【Wu S. J Polym Sci】

Wu S. J Polym Sci在研究高分子化合物之間的界面張力時(shí)，發(fā)現(xiàn)Fowkes公式有較大誤差，于是做了兩點(diǎn)改進(jìn)：一是用調(diào)和平均法計(jì)算不同分子間的引力常數(shù)，二是不僅考慮色散力的影響，也考慮了分子間極性力的影響，其方程如下：

 

：固氣界面的色散力。

：液氣界面的色散力。

：固氣界面的極性力。

：液氣界面的極性力。

：液氣界面的表面自由能（表面張力）。

本方程有兩個(gè)變量，分別為和，需要進(jìn)行兩次不同液體對(duì)同一固體界面進(jìn)行測(cè)試，解聯(lián)立方程得到固氣界面的色散力和極性力，得到固體的表面自由能。

該方法的操作方法如圖5- 3所示，需要輸入兩種介質(zhì)的相關(guān)參數(shù)，計(jì)算出固體表面能。

 

 

（4）、LW-AB法

該方法由Van Oss等人提出，它認(rèn)為極性部分可進(jìn)一步描述為電子受體和電子給體之間的相互作用，也稱作質(zhì)子酸堿作用，并將兩相間的自由能描述為方程：

：固氣界面非極性作用分量。

：固氣界面電子受體分量。

：固氣界面電子給體分量。

：液氣界面非極性分量。

：液氣界面電子受體分量。

：液氣界面電子給體分量。

這種方法要進(jìn)行三次不同液體對(duì)同一固體表面接觸角的測(cè)試，求聯(lián)立方程，得到固體的三個(gè)分量。根據(jù)下式求得固體的表面能：

該方法是目前接觸角儀器采用較多的計(jì)算表面能的方法。


操作界面如圖5- 4所示，需要輸入三種液體的相關(guān)參數(shù)和測(cè)量的接觸角，才可以計(jì)算出固體的表面能。

 

 

 

表二 典型測(cè)試液體

液體
Water 純水	72.8	21.8	51	25.5	25.5
Glycerol 甘油	64	34	30	3.92	57.4
Formamide 甲酰胺	58	39	19	2.28	39.6
Methylene Iodide 二碘甲烷(非極性)	50.8	50.8	0	0	0
Ethylene Glycol 乙二醇	48	29	19	1.92	47

 

五、ZHU法

由朱定一等人在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出了計(jì)算固體表面張力的新方法。通過(guò)建立有限液固界面體系的張力平衡，推導(dǎo)出在無(wú)限液固界面系統(tǒng)中液固界面張力和固相表面張力關(guān)系式：

該方法具有較好的一致性，標(biāo)準(zhǔn)偏差比較小，但當(dāng)接觸角比較小時(shí)固體表面張力的變化對(duì)接觸角的影響逐漸不敏感。

該方法只需要一種液體的參數(shù)和接觸角測(cè)試結(jié)果，如圖5- 5所示。

 

計(jì)算結(jié)果保存到下方表格后，可以單擊按鈕將計(jì)算結(jié)果以文本文件的形式保存到磁盤中，以供其他文檔引用。

 

五、使用注意事項(xiàng)

l         請(qǐng)不要觸摸鏡頭鏡片，如果鏡頭有塵土，請(qǐng)用吸耳球吹去，不要用力擦試。使用完畢，請(qǐng)蓋好鏡頭蓋。

l         儀器使用完畢，請(qǐng)及時(shí)關(guān)閉電源，以避免消耗更多的電力。

l         儀器機(jī)械部件均為精密光學(xué)器件，請(qǐng)不要放在塵土較多的地方使用，使用完畢，要將儀器用適當(dāng)?shù)姆缐m罩罩住。

 




科爾奇中國(guó)有限公司

HB接觸角測(cè)定儀

配置清單

 

1	接觸角測(cè)定儀主機(jī)	1臺(tái)
2	鏡頭	1個(gè)
3	CCD相機(jī)	1套
4	液滴調(diào)整器	1個(gè)
5	注射器	1只
6	小載物臺(tái)	1只
7	電源線	1條
8	數(shù)據(jù)線	2根
9	使用說(shuō)明書	1份
10	合格證	1份
11	裝箱單	1份

 

 

裝箱員： 吳**        

檢查員： 邱**       

 

 

2015年 8月26日

 

 


濟(jì)寧市科爾奇機(jī)電設(shè)備有限公司專注于科爾奇MCH16,coltrisub壓縮機(jī),科爾奇MCH13空壓機(jī),Junior壓縮機(jī),bauer壓縮機(jī),科爾奇MCH6等

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