實(shí)驗(yàn)1-接觸角探測液法測定聚合物表面張力

實(shí)驗(yàn)一接觸角探測液法測定聚合物材料外表張力一．實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?．了解低能材料外表表征的原理和方法；2．分別用二液法和三液法測定固體聚合物外表張力；3．掌握J(rèn)C2000A靜滴接觸角/界面張力測量儀的使用。二．實(shí)驗(yàn)原理通過它的外表與外界事物發(fā)生聯(lián)系,外表張力外表張力既具有一定的理論價(jià)值又具有值但是在通常情況下可逆地生成新的固體外表或界面是無法實(shí)現(xiàn)的因此,固體高聚物外表張力的直接測量是相當(dāng)困難具有流動(dòng)性,所以現(xiàn)有的測定外表張能使用到目為止,尚無直接測量高聚物外表張力的實(shí)方法為了要得到這個(gè)重要的參量,合物力熔融體法,即依據(jù)溫度對(duì)合物外表張力的影響,在較高的溫度下測高聚物熔融體的外表張力,進(jìn)而外推到低溫條件下高聚物的固體的外表張力〔2〕液同系物法,測量高聚合物的低分子液態(tài)同物的外表張力,根據(jù)外表張力與同系物的對(duì)分子質(zhì)量的依賴關(guān)系,由聚合物的低分子液態(tài)同系物的外表張力外推到高分子固態(tài)同系物的外表張力?！?〕isan的利用外表張力的系列探測液潤濕聚合物外表，測得其接觸角，再外推測定出固體界外表張力c?！?〕利用SWu的外表力s等多種方法。(5)Owens二液法外表力S.(6)三液法.本實(shí)驗(yàn)擬分別用Owens法和三液法外表力S。通過測定液體在固體外表的接觸角來估算固體的外表張力的依據(jù)是Young方程：〔1-1〕式中的γGS、γLS、γL分別是與液體的飽和蒸汽到達(dá)平衡的固體的外表張力、液體與固體的界面張力和液體的外表張力；為液體在固體外表的接觸角。固體的外表張力可分為非極性和極性兩局部。根據(jù)Owens法，采用兩種探測液體在某種固體外表的接觸角的數(shù)據(jù)，就可以求出該固體外表張力的非極性值和極性值，二者的加和近似等于該固體總外表張力。〔1-2〕式中只有γsd和γsp兩個(gè)未知數(shù)，只要找到兩個(gè)γLd和γlp的探測液體，測此二液體在固體外表上的接觸角，分別把液體的外表張力和接觸角的數(shù)據(jù)代入上式，即可得兩個(gè)獨(dú)立方程，解此方程組即可得聚合物的γsd和γsp以及聚合物的外表張力γs。用Owens法計(jì)算張力時(shí)，所選的兩種測試液必須滿足如下的條件：〔1〕兩種液體的γLP/γLD值不能接近，而且兩者的差距越大越好；〔2〕兩種液體必須有不同的極性，即必須從極性液體中和非極性液體中各選一種液體。〔3〕測試液不能使固體的外表發(fā)生溶解、膨脹和變形等。表1-1列出了一些常用測試液體的張力。表1-1常用探試液體的外表張力液體γL/mJ·m-1PγLD/mJ·m-1γL/mJ·m-1γLP/γLD極性水5121.872.82.36極性甘油26.43763.40.71甲酰胺18.739.558.20.47二碘甲烷2.348.550.80.05非極性α－溴萘044.644.60正十六烷027.627.60本實(shí)驗(yàn)測通過JC2000A靜滴接觸角/界面張力測量儀測定探測液水、甲酰胺或溴代萘在聚丙烯、聚乙烯、聚酯、聚甲基丙烯酸甲酯〔有機(jī)玻璃〕、尼龍等聚合物材料上的接觸角，用Owens法計(jì)算外表張力。JC2000A靜滴接觸角/界面張力測量儀的使用見儀器使用說明書〔打印稿或電子文檔〕。圖1-1JC2000A靜滴接觸角/界面張力測量儀5.4.6 三液法計(jì)算外表能Young’s方程描述了固/液/氣三相體系中固體外表能γS、液體外表能(外表張力)γL、固2液界面相互作用自由能γSL、固體外表膜壓π0以及平衡接觸角(θ)之間的關(guān)系[10](1-3)對(duì)于低能外表,膜壓π0可忽略不計(jì)Young’s方程變?yōu)?γS-γSL=γLcosθ。(1-4)固體或液體的外表能包括Lifshitz-vanderWaals分量γLW,Lewis酸分量γ+和Lewis堿分量γ-。固體的外表能γS及液體的外表能γL可分別表示為:(1-5)(1-6)固-液界面相互作用自由能與固體和液體各自的外表能的關(guān)系可表示為:(1-7)將式(1-5)～(1-7)代入式(1-4),得到固體外表能、液體外表能與二者之間平衡接觸角的關(guān)系為:(1-8)式(1-8)說明,只要測得3種外表能參數(shù)的液體在固體外表上的接觸角,就可計(jì)算出一組固體的外表能參數(shù)。因此,通過測定固體外表與γLWL,γ+L和γ-L的3種液體之間的接觸角,就可得到固體的外表能參數(shù)(γLWS,γ+S和γ-S)。通常,實(shí)驗(yàn)中選用的檢測液體包括二次蒸餾水、甘油、甲酰胺、二碘甲烷和乙二醇,這些液體的外表能參數(shù)見表。表F-1-2探測液體的外表能參數(shù)探測液體γL/mJ·m-1γLLW/mJ·m-1γL+/mJ·m-1γL-/mJ·m-1二次蒸餾水72.821.825.525.5甘油64.034.03.9257.4甲酰胺58.039.02.2839.6二碘甲烷50.850.800乙二醇48.029.01.9247.0在用接觸角測量法確定高分子樹脂材料的外表能參數(shù)時(shí),水—甘油—二碘甲烷(WGD)、水—甲酰胺—二碘甲烷(WFD)和水—乙二醇—二碘甲烷(WED)3種組合方案具有很好的一致性,其中的任一組合均能較好地反映聚合物的外表特征。本實(shí)驗(yàn)中選用的高分子樹脂平板包括聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)、丙烯腈/丁二烯/苯乙烯共聚物(ABS)和聚碳酸酯(PC)。在進(jìn)行外表檢測前,每種平板面積(長×寬)均裁剪至20mm×20mm,撕去保護(hù)膜,先后置于含洗衣粉的自來水、自來水、蒸餾水的超聲波發(fā)生器中清洗各10min,取出后在蒸餾水中漂洗5min,然后在室溫下置于濾紙上晾干,并與濾紙一起放入硅膠(預(yù)先在150℃枯燥2h)枯燥器內(nèi)枯燥24h。測量時(shí),用微量進(jìn)樣器(100μL)將檢測液體在距固體外表約3mm處垂直、小心地滴加在固體外表,形成座滴,液滴體積為3～5μL,直徑為1～2mm,測量時(shí)間不超過1min,取10次(每次間隔2s)接觸角的平均值作為該座滴的接觸角,取10個(gè)座滴的接觸角平均值作為該液體在該外表的接觸角。所有測量均在室溫(25三、實(shí)驗(yàn)儀器與藥品1、藥品聚甲基丙烯酸甲酯〔有機(jī)玻璃〕,板材20mm×20mm4塊聚酯板材20mm×20mm4塊聚丙烯板材20mm×20mm4塊聚乙烯板材20mm×20mm4塊尼龍板材20mm×20mm4塊去離子水〔純水瓶裝〕胺,析純;一瓶,純;一瓶乙二醇,純;一瓶乙醇純;一瓶L丙酮純;一瓶〔以上液體除純水外，均用100mL滴瓶裝〕2、儀器及備品JC2000A靜滴接觸角/界面張力測量儀一臺(tái)洗瓶兩個(gè)500mL燒杯4個(gè)濾紙片，假設(shè)干鏡頭紙，假設(shè)干剪子一把壁紙刀一把電吹風(fēng)一個(gè)四、實(shí)驗(yàn)步驟1．用水、丙酮清洗聚合物片材外表，再用電吹風(fēng)吹干備用。每種聚合物分別測定水、甲酰胺在其上的接觸角。每種聚合物每種液體平行測定三次接觸角，取平均值。2．JC2000A靜滴接觸角/界面張力測量儀儀器操作：啟動(dòng)點(diǎn)擊桌面newjc2000.exe，啟動(dòng)接觸角測量儀應(yīng)用程序。圖1-2接觸角測量儀應(yīng)用程序主界面圖采樣操作模塊使用說明屏幕左側(cè)的大正方形區(qū)域?yàn)閳D像顯示區(qū)，當(dāng)攝像機(jī)翻開時(shí)，顯示區(qū)顯示當(dāng)前攝像機(jī)攝入的圖像內(nèi)容。屏幕右側(cè)為采樣操作模塊的功能菜單，現(xiàn)將菜單各項(xiàng)功能詳述如下：活動(dòng)圖像：激活視頻顯示區(qū)凍結(jié)圖像：凍結(jié)視頻顯示區(qū)圖像讀取溫度：顯示當(dāng)前裝樣平臺(tái)溫度單位:攝氏度℃精度:0.1存儲(chǔ)狀況：顯示連續(xù)存儲(chǔ)時(shí)的即時(shí)狀況，BMP圖像文件名從菜單Option中的第二欄Setting中的第一項(xiàng)設(shè)定，根據(jù)以上設(shè)定的字符串分別自動(dòng)添加后綴01.bmp，02.bmp，等等。菜單說明File菜單，如圖1-3所示。圖1-3File菜單項(xiàng)選擇項(xiàng)上述3個(gè)選項(xiàng)依次是：“翻開…〞、“保存為…〞、“退出〞，實(shí)驗(yàn)中如果只采一幀圖，在凍結(jié)圖像后，可按“SaveAs…〞菜單存儲(chǔ)圖像。Option菜單，如圖1-4所示圖1-4Option菜單項(xiàng)選擇項(xiàng)菜單中“Connect〞選項(xiàng)用來連接儀器與計(jì)算機(jī)，“Setting…〞選項(xiàng)用來設(shè)置參數(shù)，“SerillySave〞選項(xiàng)為自動(dòng)連續(xù)儲(chǔ)存命令，因顯示卡兼容性不同，在Option中選RGB15bit或RGB16bit，可以顯示正常圖像，Normal為正常圖像大小，這是缺省值，ZoomIn是把圖像縮小，使較大的液滴能在屏幕上全部顯現(xiàn)出來，再選擇Normal就恢復(fù)原來大小。中選擇“Setting…〞選項(xiàng)時(shí)會(huì)彈出對(duì)話框，如圖1-5所示。圖1-5參數(shù)設(shè)置對(duì)話框前三項(xiàng)參數(shù)是用來設(shè)定SerillySave〔自動(dòng)連續(xù)儲(chǔ)存〕的；后三項(xiàng)參數(shù)是用來設(shè)定“快存和播放〞的，快存的總幀數(shù)可根據(jù)頁面數(shù)量設(shè)定，快存間隔幀數(shù)可根據(jù)客戶要求設(shè)置，一般視頻有25幀/秒，播放延遲無單位，代表了播放每幀圖像時(shí)的時(shí)間間隔，是根據(jù)計(jì)算機(jī)的主頻而設(shè)的延遲?？齑鏁r(shí)由于圖像直接存在內(nèi)存中，所以屏幕上沒有圖像。〔2〕測量步驟①溝通和采樣進(jìn)入主界面后請(qǐng)點(diǎn)擊Option菜單中的“Connect〞選項(xiàng)，出現(xiàn)對(duì)話框“ConnectOK！〞，說明計(jì)算機(jī)與儀器的通訊溝通成功，如出現(xiàn)出錯(cuò)信息，請(qǐng)檢查計(jì)算機(jī)與儀器的連線是否正確以及電源是否翻開。參加樣品。實(shí)驗(yàn)過程如圖1-6所示。圖1-6實(shí)驗(yàn)過程圖按活動(dòng)圖像激活視頻顯示區(qū)，通過調(diào)節(jié)調(diào)焦按鈕來截取圖像，調(diào)焦控制面板如圖1-7所示。圖1-7調(diào)焦控制面板如果要連續(xù)采樣，使用“Setting…〞中的前三項(xiàng)來設(shè)定BMP文件名、總幀數(shù)和間隔時(shí)間，在Option中選SerillySave即可。如果只采一幀圖，按凍結(jié)圖像，在File菜單中中選“SaveAs…〞選項(xiàng)存儲(chǔ)圖像，會(huì)有提示請(qǐng)你選擇儲(chǔ)存的文件名和所在的文件夾。接觸角測量在以上凍結(jié)圖像的根底上，接觸角測量有多種方法〔參見說明書〕，本實(shí)驗(yàn)采用量角法按量角法按鈕，進(jìn)入量角法主界面，如圖1-8所示，按開始鍵，翻開文件夾，選中需要計(jì)算的圖形文件。圖1-8量角法主界面圖量取角度：顯示測量尺Q：測量尺向上A:測量尺向下X:測量尺向右Z:測量尺向左<:測量尺左旋>:測量尺右旋量角器：顯示測量尺角度。量取角度顯示測量尺，顯示測量尺角度為45度，然后使測量尺與液滴邊緣相切，如圖1-9所示。圖1-9量角法測量然后下移測量尺到液滴頂端，如圖1-10所示圖1-10量角法測量再將旋轉(zhuǎn)測量尺，使其與液滴左端相交，即得到接觸角的數(shù)值，如圖1-11所示。圖1-11量角法測量另外，也可以使測量尺與液滴右端相交，求出接觸角，最后求兩者的平均值。注：當(dāng)測量尺與液滴右端相交時(shí)，用180o減去所見的數(shù)值方為正確的接觸角數(shù)據(jù)。記錄下接觸角數(shù)據(jù)。3．換一種聚合物，重復(fù)以上2的步驟測定。記錄下接觸角數(shù)據(jù)。將記錄下接觸角數(shù)據(jù)下表：表1接觸角測定數(shù)據(jù)探測液聚合物水甲酰胺123平均123平均五．?dāng)?shù)據(jù)處理點(diǎn)擊桌面上的newjc2000.exe，啟動(dòng)接觸角測量儀應(yīng)用程序。接觸角測量儀應(yīng)用程序主界面如圖1-12所示：圖1-12接觸角測量儀應(yīng)用程序主界面圖點(diǎn)擊外表能按鈕，進(jìn)入計(jì)算外表張力界面對(duì)話框。在計(jì)算外表張力時(shí)，需要將液體A和液體B的色散力、極性力和分別測得的接觸角填入如圖1-13所示的界面中。圖1-13外表張力計(jì)算對(duì)話框然后按“OK〞鍵即可以計(jì)算出固體的外表能，如圖1-14所示。圖1-14外表張力計(jì)算結(jié)果對(duì)話框六．考前須知1.溫度對(duì)接觸角也有影響，雖然影響不大，但仍應(yīng)盡可能保持室內(nèi)恒溫，門窗少開。觀察記錄室內(nèi)溫度；2.每次測量個(gè)不時(shí)間應(yīng)當(dāng)一致；且要有一定的平衡時(shí)間。3.每次測量液體取樣應(yīng)保持體積相同。4每次進(jìn)樣應(yīng)一次注射完全，不可分幾次注射完。七．思考題1.為什么應(yīng)盡可能保持室內(nèi)恒溫，門窗少開。觀察記錄室內(nèi)溫度？2.何謂接觸角滯后前進(jìn)角，后退角？影響因素有哪些？3.為什么應(yīng)保持考前須知中〔2〕～〔4〕項(xiàng)？八．參考文獻(xiàn)1．胡福增等.材料表界面.上?！萌A東理工大學(xué)出版社.20012.姜兆華等.應(yīng)用外表化學(xué)與技術(shù).哈爾濱∶哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社.20003.孫幕槿等.固體聚合物的外表張力研究.玻璃鋼/復(fù)合材料.2004,(5)7～84.朱步瑤等.界面化學(xué)根底.北京∶北京大學(xué)出版社.1994附錄JC2000A靜滴接觸角/界面張力測量儀使用說明附圖1JC2000A靜滴接觸角/界面張力測量儀1.前言液體接觸角的測定在石油、印染、醫(yī)藥、噴涂、選礦等行業(yè)的科研生產(chǎn)有非常重要的作用。特別是納米材料科學(xué)與工程已經(jīng)成為世界性的研究熱點(diǎn)，在研究納米材料的外表改性時(shí)，都往往要涉及潤濕接觸角這個(gè)概念。所謂接觸角是指在一固體水平平面上滴一液滴，固體外表上的固－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)所成的角。JC2000A靜滴接觸角/界面張力測量儀主要用于測量液體對(duì)固體的接觸角，即液體對(duì)固體的浸潤性，也可測量外相為液體的接觸角。該儀器能測量各種液體對(duì)各種材料的接觸角,粉末在壓片后也可測量。2.原理概述2.1 接觸角定義當(dāng)液滴自由地處于不受力場影響的空間時(shí)，由于界面張力的存在而呈圓球狀。但是，當(dāng)液滴與固體平面接觸時(shí)，其最終形狀取決于液滴內(nèi)部的內(nèi)聚力和液滴與固體間的粘附力的相對(duì)大小。當(dāng)一液滴放置在固體平面上時(shí)，液滴能自動(dòng)地在固體外表鋪展開來，或以與固體外表成一定接觸角的液滴存在，如圖F-1所示。圖F-1接觸角假定不同的界面間力可用作用在界面方向的界面張力來表示，那么當(dāng)液滴在固體平面上處于平衡位置時(shí)，這些界面張力在水平方向上的分力之和應(yīng)等于零，即〔F-1-1〕式中γS/A、γL/A、γS/L分別為固-氣、液-氣和固-液界面張力；θ為液體與固體間的界面和液體外表的切線所夾〔包含液體〕的角度，稱為接觸角〔contactangle〕，θ在00-1800之間。接觸角是反響物質(zhì)與液體潤濕性關(guān)系的重要尺度，θ＝90o可作為潤濕與不潤濕的界限，θ<90o時(shí)可潤濕，θ>90o時(shí)不潤濕。2.2 潤濕潤濕(wetting)的熱力學(xué)定義是，假設(shè)固體與液體接觸后體系〔固體和液體〕的自由能G降低，稱為潤濕。自由能降低的多少稱為潤濕度，用WS/L來表示。潤濕可分為三類：粘附潤濕〔adhesionalwetting〕、鋪展?jié)櫇瘛瞫preadingwetting〕和浸濕〔immersionalwetting〕。可從圖F-2看出。圖F-2三類潤濕粘附潤濕如果原有的1m2固面和1m2液面消失，形成1m2固-液界面，那么此過程的WWAS/L＝γS/A+γL/A-γS/L 〔F-1-2〕鋪展?jié)櫇癞?dāng)一液滴在1m2固面上鋪展時(shí)，原有的1m2固面和一液滴〔面積可忽略不計(jì)〕均消失，形成1m2液面和1m2WSS/L＝γS/A-γL/A-γS/L 〔F-1-3〕浸濕當(dāng)1m2固面浸入液體中時(shí)，原有的1m2固面消失，形成1m2固－液界面，那么此過程的WWIS/L＝γS/A-γS/L 〔F-1-4〕對(duì)上述三類潤濕，γS/A和γS/L無法測定，如何求WS/L分別討論如下：①粘附潤濕對(duì)于粘附潤濕有：WAS/L＝γL/A〔1+cosθ〕 〔F-1-5〕因液體外表張力γL/A為，故只需測定接觸角θ即可求出WAS/L。②鋪展?jié)櫇駥?duì)于鋪展?jié)櫇裼校嚎傻茫篧SS/L＝γL/A〔cosθ-1〕 (F-1-6)因cos≤1，故WSS/L≤0。但WS/L是自由能降低，結(jié)果表示可以有一個(gè)自由能增加或不變的自發(fā)過程。這顯然違反熱力學(xué)第二定律。錯(cuò)誤在于誤用了〔F-1-1〕式，此式只適用于平衡態(tài)。假設(shè)液滴自動(dòng)鋪展以完全蓋住固面，這就表示液滴與固面不成平衡態(tài)，所以不能將〔F-1-1〕式代入〔F-1-3〕式中。這里應(yīng)該指出，不能將鋪展?jié)櫇裾J(rèn)為θ＝00，而在此情況下根本沒有接觸角。θ＝00的正確理解應(yīng)是有一個(gè)角，恰好等于0o。設(shè)有固體與壓力逐漸增加的蒸氣接觸以吸附此蒸氣，當(dāng)壓力到達(dá)飽和蒸氣壓P0時(shí)，固面上即有一層極薄的液體。由Gibbs吸附原理知，外表自由能降低＝RT。因此，WSS/L＝γS/A-γL/A-γS/L ＝RT〔F-1-7〕③浸濕將式〔F-1-7〕中的γL/A去掉，即得WIS/L：WIS/L＝γS/A-γS/L ＝RT〔F-1-8〕由(F-1-6)式可知，當(dāng)θ＝0o時(shí)，cosθ＝1，WAS/L＝2γL/A，自由能降低為最大，那么認(rèn)為固體完全被液體潤濕；當(dāng)θ＝180o時(shí)，cosθ＝-1，WAS/L＝0，自由能降低為0，那么固體完全不被液體潤濕，即完全不潤濕。這種情況是理想的，因?yàn)橐后w與固體之間多少有一些相互吸引力存在。2.3 接觸角的測定對(duì)于理想的平固體外表，當(dāng)液滴在外表達(dá)平衡后。只有一個(gè)符合Young方程的接觸角。但實(shí)際固體外表是非理想的，因而會(huì)出現(xiàn)滯后現(xiàn)象，致使接觸角的測量往往很難重復(fù)。但經(jīng)過精心制備和處理的外表，有可能得到較重復(fù)的數(shù)據(jù)，特別是高分子的外表。外表的制備和處理的目的是要得到較光滑、干凈的理想外表，但具體的手續(xù)因樣品而異，這里不作更多的介紹。這里主要介紹一些常用的接觸角測定方法，它們都是針對(duì)氣—液—固體系的接觸角而設(shè)計(jì)的。但其中有些方法，只需略加修改，亦適用于液—液—固體系接觸角的測定。量角法液滴角度測量法是測量接觸角的最常用的方法之一，如圖F3〔a，b〕所示。該方法是將固體外表上的液滴，或?qū)⒔胍后w中的固體外表上形成的氣泡投影到屏幕上，然后直接測量切線與相界面的夾角，直接測量接觸角的大小?！瞐〕停滴 〔b〕停泡圖F3量角法示意圖如果液體蒸氣在固體外表發(fā)生吸附，影響固體的外表自由能，那么應(yīng)把樣品放入帶有觀察窗的密封箱中，待體系達(dá)平衡后再進(jìn)行測定。此法的優(yōu)點(diǎn)是：樣品用量少，儀器簡單，測量方便。準(zhǔn)確度一般在土1o左右。2.3.2量高法如果液滴很小，重力作用引起液滴的變形可以忽略不計(jì)，這時(shí)的躺滴可認(rèn)為是球形的一局部，如圖F4所示。接觸角可通過高度的測量按下式計(jì)算：〔F-1-9〕式中h是液滴高度，d是滴底的直徑。假設(shè)液滴體積小于10-4mL，此方法可用。假設(shè)接觸角小于90o，那么液滴稍大亦可應(yīng)用。圖F4量高法示意圖液滴在纖維上的接觸角也可用量角法測量，把纖維水平拉直．置于樣品槽內(nèi)，然后投影到電腦屏幕，直接測定液滴與纖維外表的夾角。如果液滴很小，接觸角也可用量高法測量，通過式〔F-1-9〕來計(jì)算。實(shí)際固體外表幾乎都是非理想的，或大或小總是會(huì)出現(xiàn)接觸角滯后現(xiàn)象．因此，需同時(shí)測定前進(jìn)角和后退角。對(duì)于躺滴法，可用增減液滴體積的方法來測定。增加液滴體積時(shí)測出的是前進(jìn)角，如圖5(a)所示；減少液滴體積時(shí)為后退角，如圖F5(b)所示。 〔a〕前進(jìn)角 〔b〕后退角圖F5前進(jìn)角和后退角的測定方法為了防止增減液滴體積時(shí)可能引起液滴振動(dòng)和變形，在測定時(shí)可將改變液滴體積的毛細(xì)管尖端插入液滴中，尖端插入液滴不影響接觸角的數(shù)值。決定和影響潤濕作用和接觸角的因素很多。如，固體和液體的性質(zhì)及雜質(zhì)、添加物的影響，固體外表的粗糙程度、不均勻性的影響，外表污染等。對(duì)于一定的固體外表，在液體液相中參加外表活性物質(zhì)?？筛纳茲櫇裥再|(zhì)，并且隨著液體和固體外表接觸時(shí)間的延長，接觸角有逐漸變小趨于定值的趨勢，這是由于外表活性物質(zhì)在各界面上吸附的結(jié)果。3.儀器組成3.1 技術(shù)指標(biāo)3.1.1測量方式：量角法，量高法，懸滴法；測量范圍：0～180o；3.1.3溫度范圍：室溫～90℃測溫精度：0.01℃3.1.5圖像放大率：266pixel/mm；3.1.6固體試樣尺寸：28×11mm3.1.7主機(jī)外形尺寸：400×250×250mm3.1.8總功率：220V200W(包括計(jì)算機(jī))；3.2 系統(tǒng)組成3.2.1 硬件組成JC2000A靜滴接觸角測量儀的結(jié)構(gòu)如圖7所示。圖F6JC2000A粉體接觸角測量儀的硬件組成儀器背部接線端口如圖F7所示圖F7儀器背部接線端口圖該儀器的樣品槽的結(jié)構(gòu)如圖F8所示，〔a〕 〔b〕圖F8樣品槽結(jié)構(gòu)圖該樣品槽提供了密閉小環(huán)境，容易到達(dá)蒸發(fā)飽和狀態(tài)，并能在外相液體中測試。與接觸角相配的圖像采集卡〔視頻卡〕一塊，如圖F9所示。圖F9圖像采集卡CCD電源線一根，如圖F10所示圖F10CCD電源線主機(jī)電源線一根，如圖F11所示圖F11主機(jī)電源線視頻連接線一根，如圖F12所示。圖F12視頻連接線串口連接線一根，如圖F13所示。圖F13串口連接線微量進(jìn)樣器一個(gè)，如圖F14所示圖F14微量進(jìn)樣器支架一個(gè)，如圖F15所示圖F15支架與接觸角測量儀相配的計(jì)算機(jī)一臺(tái)如自帶計(jì)算機(jī)，建議配置如下或更高級(jí)：IBM兼容奔騰300以上的計(jì)算機(jī)；64M以上內(nèi)存；有PCI擴(kuò)展槽；至少500M硬盤空間；S3、TNT2系列等顯示卡。有一個(gè)正常工作的COM1通訊口3.2.2 軟件組成運(yùn)行環(huán)境WinXP配套軟件產(chǎn)品隨機(jī)配送的光盤中，一般包括以下內(nèi)容：DH-CG400圖像卡驅(qū)動(dòng)程序及應(yīng)用程序；儀器使用軟件；儀器介紹、操作指南。4.系統(tǒng)安裝4.1系統(tǒng)硬件安裝圖像采集卡〔視頻卡〕安裝關(guān)閉計(jì)算機(jī)電源，翻開機(jī)箱，找到PCI插槽，如圖F16所示，圖中白色插槽為PCI插槽。圖F16PCI插槽示意圖將圖像卡插入計(jì)算機(jī)空閑的PCI總線插槽中〔白色擴(kuò)展插槽〕，將圖像卡上的固定擋片與機(jī)箱用螺釘固定，即完成安裝。如圖F17所示；圖F17圖像卡安裝圖像卡安裝完成以后，其端口如圖F18所示。圖F18圖像卡端口示意圖接觸角主機(jī)與計(jì)算機(jī)將隨機(jī)配送的視頻連接線連接CG400圖像采集卡〔視頻卡〕的端口與微電泳儀主機(jī)視頻口〔注：某些圖像采集卡有2個(gè)插孔，選遠(yuǎn)離主板的那個(gè)插孔〕，將隨機(jī)配送的串口連接線連接計(jì)算機(jī)COM1口與電泳儀的串口線接口〔計(jì)算機(jī)COM1端口如圖F19所示〕，完成連接以后，接觸角主機(jī)與計(jì)算機(jī)的連接情況如圖F20所示。圖F19COM1端口示意圖圖F20接觸角主機(jī)與計(jì)算機(jī)連接圖4.1.3 硬件安裝考前須知(1)硬件安裝必須在關(guān)閉計(jì)算機(jī)電源后進(jìn)行；(2)圖像卡的方向不能搞錯(cuò)，固定鐵片與機(jī)箱相連；(3)圖像卡一定要插牢固，并與機(jī)箱用螺釘固定。4.2系統(tǒng)軟件安裝本公司售出的接觸角測量儀，如附帶計(jì)算機(jī)，已經(jīng)安裝了系統(tǒng)程序，并附有軟件安裝盤，如客戶自配計(jì)算機(jī)或系統(tǒng)重新安裝請(qǐng)按以下步驟進(jìn)行：4.2.1 圖像卡驅(qū)動(dòng)軟件安裝隨機(jī)配送的光盤中DH-CG400為圖像卡驅(qū)動(dòng)軟件所在的目錄，圖像卡必須安裝驅(qū)動(dòng)軟件才可以工作?！?〕圖像卡驅(qū)動(dòng)程序安裝 圖像卡安裝完成后，第一次開機(jī)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)提示發(fā)現(xiàn)新硬件，要求安裝設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，如圖F21所示。圖21找到新硬件這時(shí)可根據(jù)提示，點(diǎn)擊“瀏覽…〞按鈕翻開光盤的“…\DH－CG400\Win9X〞目錄，如圖F22所示，圖F22安裝驅(qū)動(dòng)程序示意圖然后按確定鍵便可完成安裝工作，這時(shí)系統(tǒng)需要重新啟動(dòng)機(jī)器，點(diǎn)擊“是〞按鈕，如圖F23所示。圖F23系統(tǒng)提示圖系統(tǒng)重新啟動(dòng)以后，圖像卡的驅(qū)動(dòng)程序已經(jīng)完成安裝。如果沒有正確安裝，那么在控制面板的設(shè)備管理器中，聲音、視頻和游戲控制器下會(huì)有黃色的驚嘆號(hào)出現(xiàn)，如圖F24所示。圖F24安裝失敗示意圖可以按照下面的步驟重新安裝。點(diǎn)擊“屬性〞按鈕，如圖F25所示。圖F25屬性對(duì)話框然后點(diǎn)擊“更新驅(qū)動(dòng)程序〞按鈕，選擇指定驅(qū)動(dòng)程序的位置單項(xiàng)選擇框，如圖F26所示。圖F26安裝過程圖然后點(diǎn)擊“下一步〞按鈕，出現(xiàn)如圖28所示的對(duì)話框。圖F27安裝過程圖點(diǎn)擊“瀏覽〞按鈕，選擇驅(qū)動(dòng)程序所在的目錄，然后點(diǎn)擊“下一步〞按鈕，如圖F28所示。圖F28安裝過程圖點(diǎn)擊“下一步〞按鈕，出現(xiàn)復(fù)制文件對(duì)話框，如圖30所示。圖F29復(fù)制文件對(duì)話框復(fù)制完成以后，出現(xiàn)如圖F30所示的對(duì)話框。圖F30安裝過程圖點(diǎn)擊“完成〞按鈕，即可完成驅(qū)動(dòng)程序的安裝，此時(shí)系統(tǒng)需要重新啟動(dòng)，如圖F31所示。圖F31重新啟動(dòng)對(duì)話框選擇“是〞按鈕，系統(tǒng)將會(huì)重新啟動(dòng)，系統(tǒng)啟動(dòng)好以后，圖像卡的驅(qū)動(dòng)程序的安裝已經(jīng)完成，此時(shí)控制面板的設(shè)備管理器中，聲音、視頻和游戲控制器下的黃色的驚嘆號(hào)已經(jīng)消失，如圖F32所示。圖F32安裝成功示意圖〔2〕圖像采集軟件安裝運(yùn)行光盤的“…\DH－CG400\Demo〞目錄下的Setup.exe文件，便可完成圖像卡圖像采集軟件安裝工作。安裝過程如下：雙擊setup.exe文件，出現(xiàn)如圖34所示的對(duì)話框。圖F33準(zhǔn)備安裝進(jìn)程圖準(zhǔn)備安裝進(jìn)程完成以后，點(diǎn)擊“Next〞按鈕，如圖F34所示。圖F34安裝過程圖選擇“Yes〞按鈕，如圖F35所示。圖F35安裝過程圖可以選擇“Brouse…〞按鈕改變安裝路徑，也可以選擇默認(rèn)的路徑安裝，點(diǎn)擊“下一步〞按鈕，如圖F36所示。圖F36安裝過程圖選取默認(rèn)的“Typical〞安裝，點(diǎn)擊“下一步〞按鈕，如圖F37所示。圖F37安裝過程圖點(diǎn)擊“Next〞按鈕，如圖F38所示。圖F38安裝過程圖點(diǎn)擊“Next〞按鈕，如圖F39所示。圖F39安裝過程圖點(diǎn)擊“Finish〞按鈕，完成圖像采集軟件的安裝。如圖F40所示。圖F40安裝過程圖〔3〕為采集圖像分配內(nèi)存軟件安裝完成后，翻開控制面板，其中有大恒圖像圖標(biāo)，如圖F41所示，圖F41大恒圖標(biāo)用鼠標(biāo)雙擊該圖標(biāo)，會(huì)彈出連續(xù)內(nèi)存分配對(duì)話框，如圖F42所示，在請(qǐng)輸入內(nèi)存塊大小編輯框中輸4000圖F42連續(xù)內(nèi)存分配對(duì)話框按確認(rèn)鍵，系統(tǒng)會(huì)重新啟動(dòng)，按確定建，系統(tǒng)為圖像采集分配內(nèi)存，如圖F43所示。圖F43確認(rèn)對(duì)話框重新啟動(dòng)以后，系統(tǒng)已成功為圖像采集分配了內(nèi)存，如圖F44所示。圖F44內(nèi)存成功分配對(duì)話框4.2.2 儀器操作軟件安裝將光盤中的“…\forCG400”目錄下的Jc2000A文件夾全部拷貝到C盤中Jc2000A4.2.3 系統(tǒng)文件列表接觸角測量儀文件列表本系統(tǒng)必須在C：\jc2000子目錄下有以下文件:newjc2000.execg200d32.dlldvcseapi.dllmemalloc.dll_isreg32.dll顯示器設(shè)定在桌面上點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵－>屬性－>選擇設(shè)置，在顏色欄，選擇“增強(qiáng)色16位〞，在屏幕區(qū)域欄，選擇“800600〞像素，如圖F45所示。圖F45顯示器設(shè)定圖5.系統(tǒng)使用5.1 啟動(dòng)進(jìn)入jc2000a子目錄，運(yùn)行子目錄中的newjc2000.exe即可啟動(dòng)接觸角測量儀應(yīng)用程序。接觸角測量儀應(yīng)用程序主界面如圖F46所示：圖F46接觸角測量儀應(yīng)用程序主界面圖5.2 采樣操作模塊使用說明屏幕左側(cè)的大正方形區(qū)域?yàn)閳D像顯示區(qū)，當(dāng)攝像機(jī)翻開時(shí)，顯示區(qū)顯示當(dāng)前攝像機(jī)攝入的圖像內(nèi)容。屏幕右側(cè)為采樣操作模塊的功能菜單，現(xiàn)將菜單各項(xiàng)功能詳述如下：活動(dòng)圖像：激活視頻顯示區(qū)凍結(jié)圖像：凍結(jié)視頻顯示區(qū)圖像讀取溫度：顯示當(dāng)前裝樣平臺(tái)溫度單位:攝氏度℃精度:0.1存儲(chǔ)狀況：顯示連續(xù)存儲(chǔ)時(shí)的即時(shí)狀況，BMP圖像文件名從菜單Option中的第二欄Setting中的第一項(xiàng)設(shè)定〔如圖50所示〕，根據(jù)以上設(shè)定的字符串分別自動(dòng)添加后綴01.bmp，02.bmp，等等快存和播放：從菜單Option中Setting…項(xiàng)中后三項(xiàng)設(shè)定，在初次快存之前，先需到win98控制面板－>大恒圖像－>根據(jù)內(nèi)存實(shí)際內(nèi)存大小來設(shè)定頁面數(shù)量〔建議4000－8000，可存幾十幀圖像〕－>重啟電腦?！踩鐖DF44所示〕快存的總幀數(shù)可根據(jù)頁面數(shù)量設(shè)定；快存間隔幀數(shù)可根據(jù)客戶要求設(shè)置，一般視頻有25幀/秒；播放延遲無單位，代表了播放每幀圖像時(shí)的間隔，是根據(jù)計(jì)算機(jī)的主頻而設(shè)的延遲?！踩鐖DF49所示〕快存時(shí)由于圖像直接存在內(nèi)存中，所以屏幕上沒有圖像。5.3 菜單說明File菜單，如圖F47所示。圖F47File菜單項(xiàng)選擇項(xiàng)上述3個(gè)選項(xiàng)依次是：“翻開…〞、“保存為…〞、“退出〞，實(shí)驗(yàn)中如果只采一幀圖，在凍結(jié)圖像后，可按“SaveAs…〞菜單存儲(chǔ)圖像。Option菜單，如圖F48所示圖F48Option菜單項(xiàng)選擇項(xiàng)菜單中“Connect〞選項(xiàng)用來連接儀器與計(jì)算機(jī)，“Setting…〞選項(xiàng)用來設(shè)置參數(shù)，“SerillySave〞選項(xiàng)為自動(dòng)連續(xù)儲(chǔ)存命令，因顯示卡兼容性不同，在Option中選RGB15bit或RGB16bit，可以顯示正常圖像，Normal為正常圖像大小，這是缺省值，ZoomIn是把圖像縮小，使較大的液滴能在屏幕上全部顯現(xiàn)出來，再選擇Normal就恢復(fù)原來大小。中選擇“Setting…〞選項(xiàng)時(shí)會(huì)彈出對(duì)話框，如圖F49所示。圖F49參數(shù)設(shè)置對(duì)話框前三項(xiàng)參數(shù)是用來設(shè)定SerillySave〔自動(dòng)連續(xù)儲(chǔ)存〕的；后三項(xiàng)參數(shù)是用來設(shè)定“快存和播放〞的，快存的總幀數(shù)可根據(jù)頁面數(shù)量設(shè)定，快存間隔幀數(shù)可根據(jù)客戶要求設(shè)置，一般視頻有25幀/秒，播放延遲無單位，代表了播放每幀圖像時(shí)的時(shí)間間隔，是根據(jù)計(jì)算機(jī)的主頻而設(shè)的延遲?？齑鏁r(shí)由于圖像直接存在內(nèi)存中，所以屏幕上沒有圖像。另外，本儀器還可外接恒溫水浴。5.4 使用步驟5.4.1 溝通和采樣進(jìn)入主界面后請(qǐng)點(diǎn)擊Option菜單中的“Connect〞選項(xiàng)，出現(xiàn)對(duì)話框“ConnectOK！〞，說明計(jì)算機(jī)與儀器的通訊溝通成功，如出現(xiàn)出錯(cuò)信息，請(qǐng)檢查計(jì)算機(jī)與儀器的連線是否正確以及電源是否翻開。參加樣品。實(shí)驗(yàn)過程如圖F50所示。圖F50實(shí)驗(yàn)過程圖按活動(dòng)圖像激活視頻顯示區(qū)，通過調(diào)節(jié)調(diào)焦按鈕來截取圖像，調(diào)焦控制面板如圖F51所示。圖F51調(diào)焦控制面板如果要連續(xù)采樣，使用“Setting…〞中的前三項(xiàng)來設(shè)定BMP文件名、總幀數(shù)和間隔時(shí)間，在Option中選SerillySave即可。如果只采一幀圖，按凍結(jié)圖像，在File菜單中中選“SaveAs…〞選項(xiàng)存儲(chǔ)圖像，會(huì)有提示請(qǐng)你選擇儲(chǔ)存的文件名和所在的文件夾。5.4.2 量角法按量角法按鈕，進(jìn)入量角法主界面，如圖53所示，按開始鍵，翻開文件夾，選中需要計(jì)算的圖形文件。圖F52量角法主界面圖量取角度：顯示測量尺Q：測量尺向上A:測量尺向下X:測量尺向右Z:測量尺向左<:測量尺左旋>:測量尺右旋量角器：顯示測量尺角度量取角度顯示測量尺，顯示測量尺角度為45度，然后使測量尺與液滴邊緣相切，如圖F53所示。圖F53量角法測量然后下移測量尺到液滴頂端，如圖F54所示圖F54量角法測量再將旋轉(zhuǎn)測量尺，使其與液滴左端相交，即得到接觸角的數(shù)值，如圖56所示。圖F55量角法測量另外，也可以使測量尺與液滴右端相交，求出接觸角，最后求兩者的平均值。注：當(dāng)測量尺與液滴右端相交時(shí)，用180o減去所見的數(shù)值方為正確的接觸角數(shù)據(jù)。5.4.3 量高法按量高法按鈕，進(jìn)入量高法主界面，如圖F56所示。圖F56量高法主界面圖按開始按鈕，翻開文件夾，選取圖象文件，界面如圖58所示。圖F57量高法測量然后用鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊液滴的頂端和液滴的左、右兩端，如圖59所示，如果點(diǎn)擊錯(cuò)誤，可以點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，取消選定。圖F58量高法測量量角器角度為θ，接觸角為2×〔90-θ〕5.4.4 懸滴法測外表張力另外本儀器還提供了用懸滴法測量外表張力的功能，根本操作如下：在程序主界面單擊懸滴法按鈕，進(jìn)入懸滴法程序主界面，如圖F59所示。圖F59懸滴法測量外表張力主界面按開始按鈕，翻開圖像文件，如圖F60所示：圖F60懸滴法測量外表張力然后在液泡左右兩側(cè)和底部用鼠標(biāo)左鍵各取一點(diǎn)，隨后在液泡頂部會(huì)出現(xiàn)一條橫線與液泡兩側(cè)相交，然后再用鼠標(biāo)左鍵在兩個(gè)相交點(diǎn)處各取一點(diǎn)，即可測出外表張力值，如圖F61所示。圖62懸滴法測量外表張力5.4.5 Owens二液法計(jì)算外表能本儀器還提供了Owens二液法計(jì)算外表能的功能，具體計(jì)算方法如下：γs=γsD+γsP(F-1-10)γL=γLD+γLP(F-1-11)式中：γs為固體外表能，可以分解為色散力γsD項(xiàng)和極性力γsP項(xiàng)；γL為液體外表能，也可以分解為色散力γLD項(xiàng)和極性力γLP項(xiàng)。 那么：γL(1＋cosθ)=2(γsDγLD)1/2+2(γsPγLP)1/2(F-1-12)在公式中，如果液體的外表能γL和其分項(xiàng)γLD、γLP，并測出液體在固體外表上的接觸角θ，那么公式中還有兩個(gè)未知數(shù)γsD和γsP。為了求得這兩個(gè)未知數(shù)，就需要兩個(gè)方程，因此必須采用兩種測試液體，獲得如下的方程組：γL1(1＋cosθ1)=2(γsDγL1D)1/2+2(γsPγL1P)1/2(F-1-13)γL2(1＋cosθ2)=2(γsDγL2D)1/2+2(γsPγL2P)1/2(F-1-14)由該方程組可以求出γsD和γsP，進(jìn)而可以求出固體的外表能：γs=γsD＋γsP目前常用的測試液體的外表能如表1所示表1常用測試液體的外表能液體γLPγLDγLγLP/γLD極性水5121.872.82.36極性甘油26.43763.40.71Formamide18.739.558.20.47二碘甲烷2.348.550.80.05非極性α－溴萘044.644.60正十六烷027.627.60用Owens法計(jì)算外表能