[发明专利]接触角和界面张力的测定方法以及测定装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种界面化学领域的接触角和界面张力的测定技术，特别是涉及一种垂直旋转躺滴测定接触角和界面张力的方法和装置。 

背景技术

在界面化学及其广泛的相关应用领域中，接触角的测定方法很多，然而其中的绝大多数都不适合超低界面张力体系。而在提高石油采收率，特别是化学驱中，润湿性（接触角）的重要性至少不低于界面张力的重要性。当前在提高石油采收率研究工作中，各种各样的测定界面张力的仪器充斥于实验室之中，但是没有一台能够测定低界面张力体系接触角的合适的仪器。 

为此，发明人已经提出一个比较适合上述体系的水平旋转滴法测定接触角的方法及装置，其专利号为ZL02158756．6。现有的水平旋转滴测定界面张力以及测定接触角的方法中，描述液滴形状的二阶微分方程中，只考虑界面张力和离心力的作用，而忽略了重力。也就是说通常使用的水平旋滴测定界面张力和接触角的计算公式在理论上是近似的，这种忽略重力有时会带来很多问题，会造成最终测量结果的不准确。单纯的躺滴法测定界面张力和接触角虽然只需考虑界面张力和重力作用，但不适用于超低的液/液界面张力体系以及界面张力较高但液/液密度差很小的体系。在参考文献 ⁽¹⁾中，Aronson和Princent通过对垂直旋转状态下的Laplace毛细方程的数值解描述了垂直旋转弯月面的形状。虽然据此可以开发一种测定界面张力的方法，但仅限于高密度流体透明且完全润湿玻璃圆管的情况，更不能用于测定接触角。 

发明内容

本发明的主要目的在于，克服现有的接触角测定方法存在的缺陷，而 提供一种新的接触角和界面张力的测定方法以及测定装置，所要解决的技术问题是使其将接触滴的重力因素考虑在内，从而测定出更加准确的表面张力和接触角，大大扩展了接触角的可测定范围。 

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种垂直旋转法测定接触角的装置，（包括数据处理器）？、直流伺服电机、旋转轴、样品管、光源和图像采集器，所述的旋转轴为垂直设置，并与直流伺服电机连接，在直流伺服电机的驱动下，旋转轴绕其垂直的轴线进行垂直旋转。 

进一步的，前述的垂直旋转法测定接触角的装置，所述的旋转轴具有用于装载样品管的内部空间，该内部空间的截面形状为圆形、椭圆形或矩形；该旋转轴的侧壁上开设有两个相对的可以透光的开窗；所述的样品管具有相对平行的两个通光面；样品管上端具有封塞,该封塞的下端面设有固体基面层；所述的固体基面层的材质为玻璃、金属、石蜡或聚合物或其他所需材质。所述的光源和图像采集器设置于旋转轴的两侧，所述的光源为频闪灯和/或者长亮灯，当转速不为零时使用频闪灯，转速等于零时使用常亮灯。所述的图像采集器为CCD摄像机或者CCD照相机。 

依据本发明提出的一种垂直旋转躺滴法测定界面张力和接触角的方法，在旋转躺滴状态下第一流体为密度较高的流体，并且具有一定的透明度；第二流体密度低于第一流体，亦可称之为环境流体，两种互不混溶的流体与一种固体（基面）构成一个润湿（或称接触角）体系；该方法包括以下步骤： 

在样品管中装入第一流体和第二流体，第一流体的密度大于第二流体的密度，控制好第二流体的体积使第二流体在随着样品管进行转动时，第二流体形成的滴泡不与样品管壁接触而与固体基面层接触； 

将样品管进行垂直旋转，并在样品管内的流体稳定后由图像采集器采集第二流体的轮廓图像； 

对上述的轮廓图像的最低点为原点建立圆柱坐标系，以即重力方向为z轴，水平方向为x轴，并对轮廓图像进行数字化处理得到第一流体与第二流体相接处的接触线在该坐标系上的轮廓线，根据轮廓线的对称性对z轴的方向与坐标原点的位置进行优化，从而使该轮廓线上的每个点都具有该 圆柱坐标系上的足够准确的坐标； 

依据垂直旋转Laplace毛细方程（式1），有很多方法可以优化出界面张力γ和顶点曲率半径b；其中一种是通过该轮廓线的部分或全部坐标进行数值解-参数拟合，得出界面张力γ和顶点曲率半径b；或者根据轮廓线的坐标拟合出一个多项式z＝f(x)（例如x的阶次为六次），根据轮廓线上多点的近似解回归出最优的γ和b； 

所述垂直旋转Laplace毛细方程为：