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粉体材料润湿接触角测量方法应用于表面张力仪

来源:广州贝拓科学技术有限公司 浏览 25 次 发布时间:2024-05-13

液体在固态粉体材料(简称粉体,又称粉末)上的接触角是反映粉体材料与液体润湿关系的重要尺度,用于衡量液体对固态粉体的润湿性质,在实践中对粉体接触角的测量非常重要,但其测定要比在平面固体表面上的困难得多,因而至今尚无理想的测定方法。


目前大多数采用的是基于Washburn方程的毛细管渗透法,也是比较经典的一种粉末接触角测量方法。该法的基本原理是:固态粉体间的空隙相当于一束平均半径为R的毛细管,由于毛细作用,液体能自发渗透进入粉体柱中(毛细上升效应)。毛细作用取决于液体的表面张力和粉体的接触角,故通过测定已知表面张力液体在粉末柱中的透过状况,就可以得到有关该液体对粉末的接触角的信息。具体的测定方法是:将固体粉末以固定操作方法装入一个样品测量管中,管的底部有特制的小孔,既能防止粉末漏失,又容许液体自由通过,当管底与液体接触时,液体在毛细力的作用下在测量管中上升,然后依据待测液体在粉末柱中的渗入速度和平均半径r求出该液体在该粉末表面的接触角。


在t时间内上升高度h可由Washburn方程描述:


h2=(γRcosθ/2η)t,式中γ为液体的表面张力,R为粉末柱的有效毛细管半径,η为液体的粘度,θ为接触角,t为时间。以h2


对t作图得一直线。直线的斜率k=γRcosθ/2η,进而可求出θ=arccos(2kη/γR)。一般先用一种对样品接触角θ=0°的液体进行实验,确定毛细管平均半径R的值,然后再在相同条件下用其他液体实验,测定θ值。


尽管应用Washburn方程设计的毛细管渗透法能很简便地测得粉体的接触角,应用也很广泛,但是它是利用液体在粉末柱中上升的高度与时间之间的关系来测定的。在实验过程中存在一个问题,即由于粉体床中各位置的堆积密度不尽相同,使得液体不会总是水平上升,因此液体在粉体床中上升高度不易准确测量,给实验带来较大误差。

为此,现有技术中提出一些理论,即可选择润湿过程中在各个时间段测量粉体床内液体质量,从而得出质量对时间的变化,求取液体对固态粉体的接触角。但是,每次称重测量时,需要将样品测量管提出液面并擦去连带的水分,操作比较繁琐,且无法精确控制每次擦除的液体量,造成了称重测量过程中的不连贯性,也会使得结果误差放大。


粉体材料润湿接触角测量方法应用于表面张力仪,所述表面张力仪包括壳体以及设置于壳体内的电子天平、底端用微孔板封闭的测量管、液体样品托架、升降机构和摄像装置;所述电子天平的底部设置有连接杆,所述连接杆与所述电子天平的称重盘固定连接,所述测量管垂直悬挂于所述连接杆下方,所述测量管的底端位于所述摄像装置的摄影取景范围中,所述测量管内装有待测粉体,所述液体样品托架用于固定装盛有待测液体的样品容器,所述液体样品托架由所述升降机构驱动升降;所述测量方法包括:


控制所述升降机构驱动所述液体样品托架上升;


在所述液体样品托架上升过程中,控制所述摄像装置以预设频率拍摄所述测量管底端,获得多个管底区域成像;


当从多个所述管底区域成像中识别出所述待测液体的液面与所述测量管的底端之间的当前距离小于预设距离阈值时,控制所述升降机构驱动所述液体样品托架上升预设高度差,所述预设高度差小于所述当前距离;


若在指定时长内所述电子天平的读数发生变化且达到最大读数,判定所述待测液体的液面与所述测量管的底端接触;


实时采集所述电子天平的读数,获得所述测量管随时间的重量变化曲线;


根据所述重量变化曲线,计算获得所述待测粉体对所述待测液体的润湿接触角。


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