Способ измерения краевых углов смачивания с помощью наклонной пластинки, основанный на использовании эффекта индуцированной лазерным лучом термокапиллярной конвекции

 

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано для измерения краевых углов смачивания с высокой точностью. В способе путем использования индуцированной лазерным лучом термокапиллярной (ТК) конвекции усовершенствован процесс контроля плоскостности свободной поверхности жидкости вблизи наклоняемых пластин. При измерении краевых углов смачивания часть индуцирующего конвекцию лазерного луча, отраженную от деформированной ТК конвекцией свободной поверхности жидкости, проецируют на экран, помещенный в поперечном сечении каустики отраженного луча. На экране наблюдают соответствующую интерференционную картину. Смачивание используемых в измерениях наклонных пластинок приводит к статической деформации свободной поверхности жидкости между ними в виде цилиндрического мениска. Благодаря свойству аддитивности динамической кривизной ТК углубления и статической кривизны свободной поверхности жидкости, форма отклика зависит от величины и знака статической кривизны. В случае одномерной статической кривизны свободной поверхности жидкости между пластинками, ТК отклик от лазерного пучка, падающего между ними, имеет форму эллипса. Технический результат способа: устранение фактора субъективности и автоматизация измерений. 4 ил.

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано для измерения краевых углов смачивания.

Предлагаемый в изобретении способ может быть использован для измерения краевых углов смачивания с высокой точностью в автоматическом режиме в физических и химических приборах.

Известно более двадцати способов измерения краевых углов смачивания [1, 2, 3] , отличающихся точностью, воспроизводимостью и трудоемкостью измерений, сложностью установки. Краевой угол измеряют либо непосредственно из геометрии границы раздела трех фаз (например, по профилю пузырька или капли), либо косвенно (по величине поднятия жидкости в капилляре, по силе втягивания пластинки в жидкость). Недостатком косвенных способов является необходимость в дополнительном измерении поверхностного натяжения, а также серьезные требования, накладываемые на системы, в которых производятся измерения (например, способ капиллярного поднятия применим лишь для прозрачных твердых тел, а способ втягивающейся пластинки Вильгельми критичен к неоднородности пластинки по периметру).

Наиболее близкой к предложенному способу является одна из модификаций способа наклонной пластинки измерения краевых углов смачивания [3] . Способ наклонной пластинки относится к способам прямого измерения краевого угла смачивания и, несмотря на простоту, является одним из самых точных. Суть его состоит в следующем. Пластинку шириной несколько сантиметров погружают в жидкость, при этом свободная поверхность жидкости образует вогнутый или выпуклый мениск. Пластинку наклоняют до тех пор, пока мениск не станет плоским; угол между пластинкой и горизонталью и является краевым углом смачивания. В модификации, взятой за прототип, о плоскостности мениска судят, освещая область контакта жидкости с пластинкой узким пучком света и наблюдая за линией света. Если поверхность жидкости плоская вплоть до пластинки, линия света на поверхности жидкости и на пластинке являются двумя прямыми линиями, которые встречаются на трехфазной границе раздела. В случае неплоскостности поверхности жидкости наблюдается искривление линии света вблизи пластинки. К недостаткам данной модификации способа наклонной пластинки измерения краевых углов смачивания следует отнести то, что плоскостность поверхности жидкости оценивается "на глаз", что требует высокого мастерства экспериментатора и вносит в измерения трудноустранимый фактор субъективности.

Целью данного изобретения является устранение фактора субъективности из процесса измерений и автоматизация процесса измерений.

Для достижения поставленной цели используют индуцированную тепловым действием лазерного излучения термокапиллярную (ТК) конвекцию. Часть лазерного луча, индуцирующего конвекцию, отраженную от деформированной ТК конвекцией свободной поверхности жидкости (ТК углубления) проецируют на экран, помещенный в поперечном сечении каустики отраженного луча. На экране наблюдают интерференционную картину - ТК отклик, а плоскостность либо неплоскостность свободной поверхности жидкости определяют из геометрии ТК отклика [4] . В случае плоскопараллельного слоя жидкости ТК отклик имеет вид концентрических окружностей (фиг. 1).

При наличии одномерной статической кривизны свободной поверхности жидкости между пластинками, ТК отклик от лазерного пучка, падающего между ними, трансформируется в эллипс, геометрия которого определяется величиной и знаком статической кривизны [4] . Геометрию трансформированного ТК отклика характеризуют диаметры D_b и D_i (фиг. 2). Диаметр D_b зависит от величины и знака одномерной статической кривизны свободной поверхности жидкости: при вогнутом мениске D_b растет с уменьшением его радиуса кривизны, при выпуклом мениске D_b уменьшается с уменьшением радиуса кривизны мениска. На диаметр D_i одномерная статическая кривизна не оказывает влияния.

Величину и знак одномерной статической кривизны свободной поверхности жидкости удобно характеризовать коэффициентом К, определяемым как: K= D_h/D_i-1.

При вогнутой свободной поверхности жидкости К>0, при выпуклой К<0. В случае плоской поверхности жидкости К= 0.

Экспериментально доказано, что по форме ТК отклика можно надежно регистрировать одномерную статическую кривизну свободной поверхности жидкости с радиусом не менее 6,5 метров, что положено в основу модифицированного способа наклонной пластинки.

Принципиальная схема способа показана на фиг. 3. Здесь 1 - лазер, излучение которого хорошо поглощается жидкостью; 2 - ТК углубление; 3 - устройства, синхронно изменяющие угол наклона пластинок; 4 - сосуд с жидкостью; 5 - пластинки, у которых определяется краевой угол смачивания; 6 - экран.

Сущность предлагаемого способа состоит в следующем: а) пластинки под одинаковым углом погружают в жидкость, затем регистрируют диаметры D_b и D_i, и вычисляют коэффициент К. По его знаку определяют, является ли мениск выпуклым или вогнутым; б) симметрично изменяют угол наклона пластинок и одновременно снимают зависимость К от угла наклона пластинок. Для повышения точности измерений угол наклона пластинок изменяют таким образом, чтобы величина К, пройдя через ноль, приняла значение, приблизительно равное по абсолютной величине и противоположное по знаку своему начальному значению; в) краевой угол смачивания соответствует абсциссе точки пересечения полученной зависимости с прямой К= 0; г) если в начальный момент мениск вогнутый (выпуклый), то в результате измерений получают угол оттекания (натекания).

Пример. Измерение краевого угла смачивания тефлоновой пластинки бутанолом-1 (фиг. 4). Здесь кривая 1 соответствует измерению краевого угла оттекания, а кривая 2 - измерению угла натекания. Точки выше оси абсцисс соответствуют вогнутому, а точки ниже - выпуклому жидкому мениску. Как видно из фиг. 4, угол оттекания в рассмотренной системе Θ_r,= (33,4±0,4)°, угол натекания Θ_a= (54,0±0,5)°. Таким образом, предлагаемый способ обладает следующими преимуществами. Оптическая схема способа не требует точной юстировки, предельно проста и надежна. Способ позволяет с высокой точностью и в автоматическом режиме измерять краевые углы смачивания.

Литература 1. Адамсон А. Физическая химия поверхностей. М. , Мир, 1979, с. 275-277.

2. Абрамзон А. А. Поверхностные явления и поверхностно-активные вещества. Л. , Химия, 1984, с. 174-177.

3. Neuman A. W. , Good R. J. Techniques of measuring contact angles. In: Surface and colloid science. Vol. 11. Experimental methods. Eds: Good R. J. , Stromberg R. R. N. Y, Plenum Press, 1979, pp. 58-60.

4. Безуглый Б. А. Капиллярная конвекция, управляемая тепловым действием света и ее применение в способах регистрации информации. Автореф. дис. канд. ф. -м. н. , М, МГУ, 1983, 18 с.

Формула изобретения

Способ измерения краевых углов смачивания с помощью наклонной пластинки, отличающийся тем, что используют две плоские симметрично наклоняемые пластинки, а момент, когда свободная поверхность жидкости вблизи пластинок становится плоской, контролируют с помощью направленного между пластинками лазерного пучка, который индуцирует в жидком слое термокапиллярную конвекцию, частично отражается от деформированной конвекцией свободной поверхности жидкости и создает на экране, помещенном в поперечном сечении его каустики, интерференционную картину, форма которой зависит от кривизны свободной поверхности жидкости.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4