[发明专利]一种部分相溶液液体系的三相接触角测量方法及其应用

说明书

本发明属于接触角测量领域，具体涉及一种部分相溶液液体系的三相接触角测量方法及其应用。本发明测量方法包括以下步骤：(1)将达到相平衡处于临界点的A和B液液混合物变温至设定温度T_设，分离得到轻相和重相，轻相密度小于重相；(2)在恒温操作环境内将不溶于A和B的固体C放置于轻相内，稳定后滴加重相，获得固‑液‑液三相接触界面的测量体系，轻相、重相和固体C的温度恒定为T_设；(3)通过接触角测量装置对测量体系进行液滴图像的获取和分析。本发明能够测量并获得部分相溶液液体系中固体和两相液体的接触角数值，进而用来制备双连续结构，在皮克林乳液和双连续水油体系等界面领域中有着广泛的前景和应用。

技术领域

本发明属于接触角测量领域，具体涉及一种部分相溶液液体系的三相接触角测量方法及其应用。

背景技术

不相容的液液体系(例如水和油)，其热力学平衡状态是不相容的相分离状态，即水油分层。如果将其搅拌混合，则会得到其中一相的小液滴分散在另一相中的混合物—乳液，然而这种状态是非平衡和不稳定的，长久放置后，小液滴之间会逐渐合并，体积增大，最终两相液体分层，达到热力学平衡状态，即相分离。想要将乳液稳定，可以引入表面活性剂或者胶体粒子。由微纳尺寸的固体粒子吸附在小液滴表面，阻止液滴之间的凝聚合并从而形成的稳定均一的乳液称之为“Pickering乳液”。乳液类型取决于两相液体对于胶体粒子的润湿程度，以水和油为例，当胶体粒子更亲水时，即水润湿胶体粒子的程度大于油润湿胶体粒子的程度，会形成水包油乳液，反之则会形成油包水乳液。两相流体对于胶体粒子的润湿程度，即胶体粒子的润湿性可用固-液-液三相接触角θ的大小来衡量。当0°﹤θ﹤90°时，粒子更亲水，形成水包油乳液；反之，当90°﹤θ﹤180°时，粒子更亲油，形成油包水乳液。当θ＝90°，粒子被两相流体以相同的程度润湿，即中性润湿，此时粒子处于液液界面，一半在水中，另一半在油中。

不相容液液体系是指组成流体互不相溶，而部分相容液液体系是指组成液体成分在一定温度下为单一相共存，改变系统的温度(或压力)可诱导相分离。例如水和2,6-二甲基吡啶，在临界温度之下两相液体彼此互溶为均一的一相，在临界温度之上相分离，此时划分互溶和相分离状态的临界温度称之为“最低临界会溶温度LCST(Lower CriticalSolution Temperature)”。与之相反的例如硝基甲烷和乙二醇，在临界温度之上两相液体彼此互溶，在临界温度之下相分离，此时的临界温度称之为“最高临界会溶温度UCST(UpperCritical Solution Temperature)”。部分相容液液体系的相分离包括两种分离方式，一种是成核生长，通常体积分数小的液体以小液滴分散在另一种液体中，形成亚稳定的乳液，另一种是旋节分解，形成两相流体互相贯穿，彼此渗透的双连续结构。双连续结构是非平衡且不稳定的，随着相分离的进行，两相液体的体积逐渐增大，流体域变粗，界面面积减小，最终液液分层。

受到Pickering乳液的启发，可使用中性润湿的胶体粒子来稳定双连续结构的液液界面，由于胶体粒子对两相流体具有同等的润湿性，粒子处在界面上，伴随着旋节分解相分离的过程，两相体积增大，液液界面面积减小，减小至界面刚好容纳下所有的胶体粒子，此时界面固化，双连续结构得以稳定，形成双连续界面堵塞的乳液凝胶，即Bijels。

由于界面收缩，胶体粒子堵塞，液液界面固化，Bijels整体呈现为凝胶，具有固体的性质；同时，Bijels的组成流体成分以液体的性质在凝胶内部存在，且界面的粒子层具有半渗透性，因此，Bijels具有良好的运输和传质能力。Bijels独特的结构和性能使得它在过滤装置，传感器，组织工程以及电极材料上有着广泛的应用和巨大的潜力。然而，Bijels的制备面临着种种的问题和挑战，其中实现胶体粒子中性润湿是一个极为复杂且成功率和重复率很低的过程。

Dongyu Cai等通过将界面纳米粒子和分子表面活性剂与高粘度的不混溶液体结合，开发了一种可用于创建的替代策略。Bijels可由甘油、硅油、二氧化硅纳米颗粒和十六烷基三甲基溴化铵表面活性剂制备而成。(Cai,D.,et al.(2017).Soft Matter 13(28):4824-4829.)