專利名稱：接觸角和界面張力的測定方法以及測定裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種界面化學(xué)領(lǐng)域的接觸角和界面張力的測定技術(shù)，特別是涉及一種垂直旋轉(zhuǎn)躺滴測定接觸角和界面張力的方法和裝置。
背景技術(shù)：
在界面化學(xué)及其廣泛的相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域中，接觸角的測定方法很多，然而其中的絕大多數(shù)都不適合超低界面張力體系。而在提高石油采收率，特別是化學(xué)驅(qū)中，潤濕性(接觸角)的重要性至少不低于界面張力的重要性。當(dāng)前在提高石油采收率研究工作中，各種各樣
的測定界面張力的儀器充斥于實(shí)驗(yàn)室之中，但是沒有一臺能夠測定低界面張力體系接觸角的合適的儀器。為此，發(fā)明人已經(jīng)提出一個比較適合上述體系的水平旋轉(zhuǎn)滴法測定接觸角的方法及裝置，其專利號為ZL02158756. 6?，F(xiàn)有的水平旋轉(zhuǎn)滴測定界面張力以及測定接觸角的方法中，描述液滴形狀的二階微分方程中，只考慮界面張力和離心力的作用，而忽略了重力。也就是說通常使用的水平旋滴測定界面張力和接觸角的計算公式在理論上是近似的，這種忽略重力有時會帶來很多問題，會造成最終測量結(jié)果的不準(zhǔn)確。單純的躺滴法測定界面張力和接觸角雖然只需考慮界面張力和重力作用，但不適用于超低的液/液界面張力體系以及界面張力較高但液/液密度差很小的體系。在參考文獻(xiàn)⑴中，Aronson和Princent通過對垂直旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的Laplace毛細(xì)方程的數(shù)值解描述了垂直旋轉(zhuǎn)彎月面的形狀。雖然據(jù)此可以開發(fā)一種測定界面張力的方法，但僅限于高密度流體透明且完全潤濕玻璃圓管的情況，更不能用于測定接觸角。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于，克服現(xiàn)有的接觸角測定方法存在的缺陷，而提供一種新的接觸角和界面張力的測定方法以及測定裝置，所要解決的技術(shù)問題是使其將接觸滴的重力因素考慮在內(nèi)，從而測定出更加準(zhǔn)確的表面張力和接觸角，大大擴(kuò)展了接觸角的可測定范圍。本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問題是采用以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的。依據(jù)本發(fā)明提出的一種垂直旋轉(zhuǎn)法測定接觸角的裝置，(包括數(shù)據(jù)處理器)？、直流伺服電機(jī)、旋轉(zhuǎn)軸、樣品管、光源和圖像采集器，所述的旋轉(zhuǎn)軸為垂直設(shè)置，并與直流伺服電機(jī)連接，在直流伺服電機(jī)的驅(qū)動下，旋轉(zhuǎn)軸繞其垂直的軸線進(jìn)行垂直旋轉(zhuǎn)。進(jìn)一步的，前述的垂直旋轉(zhuǎn)法測定接觸角的裝置，所述的旋轉(zhuǎn)軸具有用于裝載樣品管的內(nèi)部空間，該內(nèi)部空間的截面形狀為圓形、橢圓形或矩形；該旋轉(zhuǎn)軸的側(cè)壁上開設(shè)有兩個相對的可以透光的開窗；所述的樣品管具有相對平行的兩個通光面；樣品管上端具有封塞，該封塞的下端面設(shè)有固體基面層；所述的固體基面層的材質(zhì)為玻璃、金屬、石蠟或聚合物或其他所需材質(zhì)。所述的光源和圖像采集器設(shè)置于旋轉(zhuǎn)軸的兩側(cè)，所述的光源為頻閃燈和/或者長亮燈，當(dāng)轉(zhuǎn)速不為零時使用頻閃燈，轉(zhuǎn)速等于零時使用常亮燈。所述的圖像采集器為CXD攝像機(jī)或者CXD照相機(jī)。依據(jù)本發(fā)明提出的一種垂直旋轉(zhuǎn)躺滴法測定界面張力和接觸角的方法，在旋轉(zhuǎn)躺滴狀態(tài)下第一流體為密度較高的流體，并且具有一定的透明度；第二流體密度低于第一流體，亦可稱之為環(huán)境流體，兩種互不混溶的流體與一種固體(基面)構(gòu)成一個潤濕(或稱接觸角)體系；該方法包括以下步驟在樣品管中裝入第一流體和第二流體，第一流體的密度大于第二流體的密度，控制好第二流體的體積使第二流體在隨著樣品管進(jìn)行轉(zhuǎn)動時，第二流體形成的滴泡不與樣品管壁接觸而與固體基面層接觸；將樣品管進(jìn)行垂直旋轉(zhuǎn)，并在樣品管內(nèi)的流體穩(wěn)定后由圖像采集器采集第二流體的輪廓圖像；
對上述的輪廓圖像的最低點(diǎn)為原點(diǎn)建立圓柱坐標(biāo)系，以即重力方向?yàn)閆軸，水平方向?yàn)閄軸，并對輪廓圖像進(jìn)行數(shù)字化處理得到第一流體與第二流體相接處的接觸線在該坐標(biāo)系上的輪廓線，根據(jù)輪廓線的對稱性對Z軸的方向與坐標(biāo)原點(diǎn)的位置進(jìn)行優(yōu)化，從而使該輪廓線上的每個點(diǎn)都具有該圓柱坐標(biāo)系上的足夠準(zhǔn)確的坐標(biāo)；依據(jù)垂直旋轉(zhuǎn)Laplace毛細(xì)方程(式1)，有很多方法可以優(yōu)化出界面張力、和頂點(diǎn)曲率半徑b ;其中一種是通過該輪廓線的部分或全部坐標(biāo)進(jìn)行數(shù)值解-參數(shù)擬合，得出界面張力Y和頂點(diǎn)曲率半徑b;或者根據(jù)輪廓線的坐標(biāo)擬合出一個多項(xiàng)式Z = f(x)(例如X的階次為六次)，根據(jù)輪廓線上多點(diǎn)的近似解回歸出最優(yōu)的Y和b;所述垂直旋轉(zhuǎn)Laplace毛細(xì)方程為
權(quán)利要求
1.一種垂直旋轉(zhuǎn)法測定接觸角的裝置，包括數(shù)據(jù)處理器、直流伺服電機(jī)、旋轉(zhuǎn)軸、樣品管、光源和圖像采集器，其特征在于，所述的旋轉(zhuǎn)軸為垂直設(shè)置，在直流伺服電機(jī)的驅(qū)動下，旋轉(zhuǎn)軸繞其垂直的軸線進(jìn)行垂直旋轉(zhuǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的垂直旋轉(zhuǎn)法測定接觸角的裝置，其特征在于，所述的旋轉(zhuǎn)軸具有用于裝載樣品管的內(nèi)部空間，該內(nèi)部空間的截面形狀為圓形、橢圓形或矩形，并具有定位功能，使插入的樣品管的平行窗口與旋轉(zhuǎn)軸的開口方向保持一致。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的垂直旋轉(zhuǎn)法測定接觸角的裝置，其特征在于，該旋轉(zhuǎn)軸的側(cè)壁上開設(shè)有兩個平行相對的可以透光的開窗。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的垂直旋轉(zhuǎn)法測定接觸角的裝置，其特征在于，所述的樣品管具有相對平行的兩個通光面。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的垂直旋轉(zhuǎn)法測定接觸角的裝置，其特征在于，所述的樣品管上端具有封塞，該封塞的下端面設(shè)有固體基面層。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的垂直旋轉(zhuǎn)法測定接觸角的裝置，其特征在于，所述的固體基面層的材質(zhì)為玻璃、金屬、石蠟、聚合物或?qū)嶋H需要的材質(zhì)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的垂直旋轉(zhuǎn)法測定接觸角的裝置，其特征在于，所述的光源和圖像采集器設(shè)置于旋轉(zhuǎn)軸的兩側(cè)，所述的光源為頻閃燈和/或者常明燈，所述的圖像采集器為CXD攝像機(jī)或者CXD照相機(jī)。
8.—種垂直旋轉(zhuǎn)法測定表面張力的方法，該方法包括以下步驟 在樣品管中裝入第一流體和第二流體，控制好第二流體的體積使第二流體在隨著樣品管進(jìn)行轉(zhuǎn)動時，第二流體形成的滴泡不與樣品管壁接觸而與固體基面層接觸； 將樣品管進(jìn)行垂直旋轉(zhuǎn)，并在樣品管內(nèi)的流體穩(wěn)定后由圖像采集器采集第二流體的輪廓圖像； 對上述的輪廓圖像的最低點(diǎn)為原點(diǎn)建立圓柱坐標(biāo)系，以即重力方向?yàn)閦軸，水平方向?yàn)閄軸，并對輪廓圖像進(jìn)行數(shù)字化處理得到第一流體與第二流體相接處的接觸線在該坐標(biāo)系上的輪廓線，根據(jù)輪廓線的對稱性對z軸的方向與坐標(biāo)原點(diǎn)的位置進(jìn)行優(yōu)化，從而使該輪廓線上的每個點(diǎn)都具有該圓柱坐標(biāo)系上的足夠準(zhǔn)確的坐標(biāo)； 依據(jù)垂直旋轉(zhuǎn)Laplace毛細(xì)方程(式1)，有很多方法可以優(yōu)化出界面張力、和頂點(diǎn)曲率半徑b ;其中一種是通過該輪廓線的部分或全部坐標(biāo)進(jìn)行數(shù)值解-參數(shù)擬合，得出界面張力Y和頂點(diǎn)曲率半徑b ;或者根據(jù)輪廓線的坐標(biāo)擬合出一個多項(xiàng)式z = f (X)(例如X的階次為六次)，根據(jù)輪廓線上多點(diǎn)的近似解回歸出最優(yōu)的Y和b; 所述垂直旋轉(zhuǎn)Laplace毛細(xì)方程為
9.一種垂直旋轉(zhuǎn)法測定接觸角的方法，其特征在于包括以下步驟進(jìn)行權(quán)利要求8所述的方法得到界面張力Y以及頂點(diǎn)曲率半徑b; 然后根據(jù)公式(2)計算得到第一流體、第二流體與固體基面三相相接觸點(diǎn)C的接觸角
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的垂直旋轉(zhuǎn)法測定接觸角的方法,其特征在于，當(dāng)轉(zhuǎn)速《 = 0時，采用式(3)計算得到接觸角
全文摘要
本發(fā)明是關(guān)于一種接觸角和界面張力的測定方法以及測定裝置。該垂直旋轉(zhuǎn)躺滴法測定界面張力和接觸角的裝置，包括(數(shù)據(jù)處理器、)直流伺服電機(jī)、可以定位安裝樣品管的空心旋轉(zhuǎn)軸、具有平行窗口的樣品管、具有頻閃和常亮兩種工作模式的光源和圖像采集器。所述的旋轉(zhuǎn)軸為垂直設(shè)置，在直流伺服電機(jī)的驅(qū)動下，旋轉(zhuǎn)軸繞其垂直的軸線進(jìn)行垂直旋轉(zhuǎn)。本發(fā)明通過對垂直旋轉(zhuǎn)的與旋轉(zhuǎn)管測定基面接觸的滴泡圖像進(jìn)行數(shù)字化旋轉(zhuǎn)體坐標(biāo)處理后進(jìn)行參數(shù)擬合，得到足夠精確的界面張力值和滴泡頂點(diǎn)的曲率半徑的數(shù)值，再根據(jù)旋轉(zhuǎn)躺滴接觸角計算公式得到接觸角。本發(fā)明可以大大增加被測體系流體之間界面張力和密度差的跨度，比已有方法具有更廣闊的應(yīng)用范圍。
文檔編號G01N13/00GK102749269SQ201210232079
公開日2012年10月24日 申請日期2012年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月5日
發(fā)明者張禹負(fù), 李春新, 邢義良 申請人:張禹負(fù), 邢義良