一種測(cè)試水壓作用下超疏水狀態(tài)穩(wěn)定性的設(shè)備的制作方法
【專利摘要】一種測(cè)試水壓作用下超疏水狀態(tài)穩(wěn)定性的設(shè)備，在一套特殊的透明密封容器系統(tǒng)中，利用水下超疏水界面的全反射現(xiàn)象和光電檢測(cè)技術(shù)來對(duì)水下超疏水材料的不同潤濕狀態(tài)進(jìn)行區(qū)分和識(shí)別；利用小型空氣壓縮機(jī)來驅(qū)動(dòng)水下Cassie狀態(tài)到Wenzel狀態(tài)的潤濕轉(zhuǎn)變；利用真空泵來實(shí)現(xiàn)對(duì)水下截留氣體的移除。通過引入小功率半導(dǎo)體激光照明和光電檢測(cè)來量化超疏水界面反射光的強(qiáng)度，得到反射光強(qiáng)度在壓力作用下的特征強(qiáng)度曲線，根據(jù)特征曲線上的拐點(diǎn)，可得到水下超疏水狀態(tài)由Cassie狀態(tài)向Wenzel狀態(tài)過渡的臨界壓力，即實(shí)現(xiàn)對(duì)水下超疏水狀態(tài)穩(wěn)定性的測(cè)試。
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種水下超疏水狀態(tài)穩(wěn)定性測(cè)試與表征領(lǐng)域，特別提供了一種用于觀 察和測(cè)試水下超疏水狀態(tài)穩(wěn)定性的設(shè)備。 一種測(cè)試水壓作用下超疏水狀態(tài)穩(wěn)定性的設(shè)備

【背景技術(shù)】
[0002] 超疏水材料具有防水和低粘附等特性，因此在表面防污與自清潔、金屬防腐蝕、微 流管道減阻、防結(jié)冰、油水分離凈化等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價(jià)值。研究表明，在液滴拉普拉 斯力、沖擊、流體靜壓力的作用下，液體會(huì)侵入到材料表面的微結(jié)構(gòu)中去，從而導(dǎo)致超疏水 界面喪失應(yīng)有的功能。因此維持超疏水狀態(tài)的穩(wěn)定性，避免液體侵入到超疏水材料表面的 微結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中極其重要?，F(xiàn)有的表觀接觸角和接觸滯后測(cè)試是建立在5 μ L液滴的 拉普拉斯壓力（112Pa左右）之上的，并不能反映水下超疏水狀態(tài)的穩(wěn)定性，因此需要一種 新的設(shè)備來測(cè)試水下超疏水狀態(tài)的穩(wěn)定性。
[0003] 關(guān)于超疏水狀態(tài)穩(wěn)定性的研究表明，對(duì)于凸起型結(jié)構(gòu)的超疏水材料，微結(jié)構(gòu)內(nèi)部 的氣體因與大氣連通而可以自由流動(dòng)，在這種情況下，Cassie狀態(tài)依靠三相線上的毛細(xì)作 用力來維持的：即水通過表面張力在超疏水材料表面微結(jié)構(gòu)之間搭起"水橋"，并通過三相 接觸線將載荷傳遞到表面微結(jié)構(gòu)上，從而實(shí)現(xiàn)了水在微結(jié)構(gòu)上的"懸浮"。當(dāng)外力大于三相 線上的極限毛細(xì)作用力時(shí)，液體就會(huì)侵入到超疏水材料的表面微結(jié)構(gòu)中。由于實(shí)際應(yīng)用中 的超疏水材料的微結(jié)構(gòu)排列并不規(guī)律，具體幾何形狀也各不相同，難以用理論進(jìn)行預(yù)測(cè)，需 通過實(shí)驗(yàn)來確定。在實(shí)驗(yàn)方面，有擠壓液滴法、灰度法和電化學(xué)阻抗法等，但由于這些測(cè)試 方法并非專業(yè)測(cè)試技術(shù)，局限性較大，因此需要一種普遍的可行性試驗(yàn)設(shè)備。 實(shí)用新型內(nèi)容
[0004] 本發(fā)明的目的是對(duì)超疏水材料的疏水穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試和表征，特別是提供了一種 用于測(cè)試水下超疏水狀態(tài)穩(wěn)定性的設(shè)備，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案如下：
[0005] -種測(cè)試水壓作用下超疏水狀態(tài)穩(wěn)定性的設(shè)備，包括底座，由真空泵和觀察箱體、 光測(cè)箱體、儲(chǔ)水箱三個(gè)相連通的箱體組成，底座上設(shè)有觀察箱體、光測(cè)箱體和儲(chǔ)水箱，觀察 箱體右側(cè)和光測(cè)箱體左側(cè)通過管道連接，光測(cè)箱體右上方與儲(chǔ)水箱通過管道連接，回水電 磁閥一端與光測(cè)箱體連接，另一端和離心泵連接，離心泵上方和儲(chǔ)水箱相通；觀察箱體和光 測(cè)箱體上方分別設(shè)有觀察箱體密封蓋和光測(cè)箱體密封蓋，內(nèi)壁設(shè)有樣品支架底座，其上設(shè) 有樣品支架，觀察箱體的外側(cè)設(shè)有固定在底座上的CCD傳感器；光測(cè)箱體的左右兩側(cè)設(shè)有 固定在箱體上的光電傳感器和半導(dǎo)體激光器，內(nèi)部下方設(shè)有溫度傳感器；儲(chǔ)水箱上方設(shè)有 壓力傳感器，儲(chǔ)水箱內(nèi)部裝有測(cè)試用水；控氣電磁閥的一端和小型空氣壓縮機(jī)連接，另一端 與排氣電磁閥連接；所述儲(chǔ)水箱、觀察箱體、光測(cè)箱體、控氣電磁閥和排氣電磁閥五者之間 互通。
[0006] 進(jìn)一步的，為了方便數(shù)據(jù)的采集和計(jì)算，光電傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器三 者和數(shù)據(jù)采集卡連接，C⑶傳感器和圖像采集卡連接，數(shù)據(jù)采集卡和圖像采集卡和計(jì)算機(jī)連 接。
[0007] 進(jìn)一步的，用以驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)潤濕狀態(tài)從Cassie狀態(tài)到Wenze 1狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，可在實(shí) 驗(yàn)后期排出容器系統(tǒng)內(nèi)的高壓氣體，用以將水從觀察和光測(cè)箱體內(nèi)抽回儲(chǔ)水箱以進(jìn)行新的 實(shí)驗(yàn)，所述儲(chǔ)水箱下面和離心泵相連接，外與排氣電磁閥、小型空氣壓縮機(jī)相連接。
[0008] 進(jìn)一步的，所述觀察箱體和光測(cè)箱體和儲(chǔ)水箱采用透明有機(jī)玻璃材料。
[0009] 進(jìn)一步的，半導(dǎo)體激光器和光電傳感器分別米用小型半導(dǎo)體激光器和優(yōu)質(zhì)光電二 極管作為光測(cè)系統(tǒng)。
[0010] 本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)：該發(fā)明為超疏水材料在壓力作用下的疏水穩(wěn)定性測(cè)試提供了 一套專業(yè)設(shè)備，具有廣泛的適應(yīng)性和多用型，適用于所有的超疏水材料。真空泵的引入能夠 實(shí)現(xiàn)對(duì)截留氣體影響的消除，因此除了用于研究水下超疏水狀態(tài)的穩(wěn)定性之外，還能夠用 于研究界面處截留氣體對(duì)穩(wěn)定性的影響以及潤濕可逆性問題；若引入外部壓力箱體之后， 還可用于測(cè)試超疏水狀態(tài)的壽命。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011] 圖1為超疏水狀態(tài)穩(wěn)定性測(cè)試的設(shè)備圖。
[0012] 圖2為超疏水材料在水下的全反射和漫反射示意圖。
[0013] 圖3為數(shù)據(jù)與圖像采集系統(tǒng)示意圖。
[0014] 圖4實(shí)施案例1的測(cè)試結(jié)果圖。
[0015] 圖5實(shí)施案例2的測(cè)試結(jié)果圖。

【具體實(shí)施方式】
[0016] 根據(jù)圖1、2、3具體說明實(shí)施方案：
[0017] 一種測(cè)試水壓作用下超疏水狀態(tài)穩(wěn)定性的設(shè)備，包括底座1，由真空泵5和觀察箱 體2、光測(cè)箱體21、儲(chǔ)水箱16三個(gè)相連通的箱體組成，底座1上設(shè)有觀察箱體2、光測(cè)箱體 21和儲(chǔ)水箱16,觀察箱體2右側(cè)和光測(cè)箱體21左側(cè)通過管道9連接，光測(cè)箱體21右上方 與儲(chǔ)水箱16通過管道9連接，回水電磁閥18 -端與光測(cè)箱體21連接，另一端和離心泵17 連接，離心泵上方和儲(chǔ)水箱16相通；觀察箱體2和光測(cè)箱體21上方分別設(shè)有觀察箱體密封 蓋6和光測(cè)箱體密封蓋11，內(nèi)壁設(shè)有樣品支架底座8,其上設(shè)有樣品支架7,觀察箱體2的外 側(cè)設(shè)有固定在底座1上的CCD傳感器4 ;光測(cè)箱體21的左右兩側(cè)設(shè)有固定在箱體上的光電 傳感器22和半導(dǎo)體激光器19,內(nèi)部下方設(shè)有溫度傳感器20 ;儲(chǔ)水箱16上方設(shè)有壓力傳感 器14,儲(chǔ)水箱16內(nèi)部裝有測(cè)試用水15 ;控氣電磁閥12的一端和小型空氣壓縮機(jī)10連接， 另一端與排氣電磁閥13連接；所述儲(chǔ)水箱16、觀察箱體2、光測(cè)箱體21、控氣電磁閥12和 排氣電磁閥13五者之間互通；光電傳感器22、溫度傳感器20、壓力傳感器14三者和數(shù)據(jù)采 集卡連接，（XD傳感器4和圖像采集卡連接，數(shù)據(jù)采集卡和圖像采集卡和計(jì)算機(jī)連接；所述 儲(chǔ)水箱16下面和離心泵17相連接，外與排氣電磁閥13、小型空氣壓縮機(jī)10相連接；所述 觀察箱體2和光測(cè)箱體21和儲(chǔ)水箱16采用透明有機(jī)玻璃材料；半導(dǎo)體激光器19和光電傳 感器22分別采用小型半導(dǎo)體激光器和優(yōu)質(zhì)光電二極管作為光測(cè)系統(tǒng)。
[0018] 實(shí)施案例1 :將超疏水材料取樣并置于支架7上后將支架7安裝在觀察箱體2和 光測(cè)箱體21內(nèi)的支架支座上，然后在密封部位涂上真空密封油后用觀察箱體密封蓋6和光 測(cè)箱體密封蓋11對(duì)觀察箱體2和光測(cè)箱體21進(jìn)行密封；完成密封之后開啟真空泵5對(duì)壓 力容器系統(tǒng)進(jìn)行抽真空，抽至沸騰以后持續(xù)5分鐘以排除系統(tǒng)內(nèi)部的空氣；然后停止抽真 空，帶容器內(nèi)的壓力上升至當(dāng)前溫度下（由溫度傳感器20測(cè)得）水的飽和蒸汽壓時(shí)打開半 導(dǎo)體激光器19和回水電磁閥18,測(cè)試用水15在重力作用下會(huì)從從儲(chǔ)水箱16流回到觀察 箱體2和光測(cè)箱體21以完成對(duì)樣品的淹沒，從而使得系統(tǒng)處于水下超疏水狀態(tài)；之后開啟 小型空氣壓縮機(jī)10加壓到160kPa以驅(qū)動(dòng)潤濕狀態(tài)從Cassie狀態(tài)轉(zhuǎn)變到Wenzel狀態(tài)。實(shí) 驗(yàn)過程中超疏水界面的變化由CCD傳感器4進(jìn)行記錄，并通過圖像采集卡進(jìn)行采集；相應(yīng)的 壓力、溫度和反射光強(qiáng)度分別由絕對(duì)壓力傳感器14和溫度傳感器20和光電傳感器22進(jìn)行 測(cè)量，最終所獲得的數(shù)據(jù)由據(jù)采集卡進(jìn)行采集。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后通過排氣電磁閥13進(jìn)行排氣， 并同時(shí)打開回水電磁閥18和離心泵17將樣品架支架以上的水抽送回到儲(chǔ)水箱。以荷葉為 例，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。
[0019] 實(shí)施案例2 :將超疏水材料取樣并置于支架7上后把支架7安裝在觀察箱體2和光 測(cè)箱體21內(nèi)的支架支座上，然后在密封部位涂上真空密封油后用觀察箱體密封蓋6和光測(cè) 箱體密封蓋11對(duì)觀察箱體2和光測(cè)箱體21進(jìn)行密封；完成密封之后打開半導(dǎo)體激光器19 和回水電磁閥18,水在重力作用下會(huì)從從儲(chǔ)水箱16流回到觀察箱體2和光測(cè)箱體21以完 成對(duì)樣品的淹沒；之后開啟小型空氣壓縮機(jī)10加壓到一定值（以120kPa為例）以驅(qū)動(dòng)潤 濕狀態(tài)從Cassie狀態(tài)轉(zhuǎn)變到Wenzel狀態(tài)，并通過排氣電磁閥13進(jìn)行排氣來觀察潤濕狀態(tài) 的可逆性。實(shí)驗(yàn)過程中超疏水界面的變化由CCD傳感器4和光電傳感器22進(jìn)行測(cè)量，相應(yīng) 的溫度和壓力分別由絕對(duì)壓力傳感器14和溫度傳感器20進(jìn)行測(cè)量，然后經(jīng)由計(jì)算機(jī)通過 數(shù)據(jù)采集卡和圖像采集卡對(duì)數(shù)據(jù)和圖像進(jìn)行記錄。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后同時(shí)打開回水電磁閥18和 離心泵17將水送回到儲(chǔ)水箱。以荷葉為例，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。
[0020] 以上所述，僅為本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】，但本實(shí)用新型的保護(hù)范圍并不局限 于此，任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本實(shí)用新型所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化 或替換，都應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利 要求書所限定的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1. 一種測(cè)試水壓作用下超疏水狀態(tài)穩(wěn)定性的設(shè)備，包括底座（1)，其特征在于：由真空 泵（5)和觀察箱體（2)、光測(cè)箱體（21)、儲(chǔ)水箱（16)三個(gè)相連通的箱體組成，底座（1)上設(shè) 有觀察箱體（2)、光測(cè)箱體（21)和儲(chǔ)水箱（16)，觀察箱體（2)右側(cè)和光測(cè)箱體（21)左側(cè)通 過管道連接，光測(cè)箱體（21)右上方與儲(chǔ)水箱（16)通過管道（9)連接，回水電磁閥（18) -端 與光測(cè)箱體（21)連接，另一端和離心泵（17)連接，離心泵上方和儲(chǔ)水箱（16)相通；觀察箱 體⑵和光測(cè)箱體（21)上方分別設(shè)有觀察箱體密封蓋（6)和光測(cè)箱體密封蓋（11)，內(nèi)壁設(shè) 有樣品支架底座（8)，其上設(shè)有樣品支架（7)，觀察箱體（2)的外側(cè)設(shè)有固定在底座（1)上 的CCD傳感器（4);光測(cè)箱體（21)的左右兩側(cè)設(shè)有固定在箱體上的光電傳感器（22)和半導(dǎo) 體激光器（19)，內(nèi)部下方設(shè)有溫度傳感器（20);儲(chǔ)水箱（16)上方設(shè)有壓力傳感器（14)，儲(chǔ) 水箱（16)內(nèi)部裝有測(cè)試用水（15);控氣電磁閥（12)的一端和小型空氣壓縮機(jī)（10)連接， 另一端與排氣電磁閥（13)連接；所述儲(chǔ)水箱（16)、觀察箱體（2)、光測(cè)箱體（21)、控氣電磁 閥（12)和排氣電磁閥（13)五者之間互通。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測(cè)試水壓作用下超疏水狀態(tài)穩(wěn)定性的設(shè)備，其特征在 于：光電傳感器（22)、溫度傳感器（20)、壓力傳感器（14)三者和數(shù)據(jù)采集卡連接，CCD傳感 器（4)和圖像采集卡連接，數(shù)據(jù)采集卡和圖像采集卡和計(jì)算機(jī)連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測(cè)試水壓作用下超疏水狀態(tài)穩(wěn)定性的設(shè)備，其特征在 于：所述儲(chǔ)水箱（16)下面和離心泵（17)相連接，外部與排氣電磁閥（13)、小型空氣壓縮機(jī) (10)相連接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測(cè)試水壓作用下超疏水狀態(tài)穩(wěn)定性的設(shè)備，其特征在 于：所述觀察箱體（2)和光測(cè)箱體（21)和儲(chǔ)水箱（16)采用透明有機(jī)玻璃材料。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測(cè)試水壓作用下超疏水狀態(tài)穩(wěn)定性的設(shè)備，其特征在 于：半導(dǎo)體激光器（19)和光電傳感器（22)分別采用小型半導(dǎo)體激光器和優(yōu)質(zhì)光電二極管 作為光測(cè)系統(tǒng)。
【文檔編號(hào)】G01N13/00GK203849133SQ201420189601
【公開日】2014年9月24日 申請(qǐng)日期:2014年4月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月10日
【發(fā)明者】黃建業(yè), 王峰會(huì), 趙翔 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)