ПОРТАТИВНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВ СМАЧИВАНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ И ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКОСТЕЙ

Предлагаемое устройство предназначено для измерения угла смачивания твердых поверхностей жидкостями, а также для измерения поверхностного и межфазного натяжения жидкостей, в статическом и динамическом режимах. Измерение угла смачивания, количественно характеризующего степень смачиваемости поверхности данной жидкостью, весьма важно во многих отраслях промышленности (химическая, лакокрасочная, фармацевтическая, косметическая и т.д.), а также для оценки коррозионного состояния трубопроводов, опор линий электропередач и т.п. в полевых условиях.
Практическое изучение углов смачивания может проводиться непосредственно по фотографии или с помощью горизонтального микроскопа с гониометрической шкалой. Точность такого определения невысока и погрешность может составлять несколько градусов. Анализ используемых для этого методик можно найти в известной монографии [Адамсон А. Физическая химия поверхностей. М.: Мир, 1979]. Достаточно эффективными для исследования углов смачивания в ряде систем оказываются также методы капиллярного подъема [Neumann A.W., Good R.J./In: Surface and Colloid Science, ed. by Good R.J. and Stromberg R.S. N.Y.: Plenum Press, 1979. V.11. P.31] и зеркального отражения и преломления на границах сидящей капли [Redon С., Ausserre D., Rondelez F. // Macromolecules. 1992. V.25. №22. P.5965], однако и в этих методах погрешность определения величины угла смачивания составляет не менее 1-2 градусов.
В последнее время все большее внимание при экспериментальном исследовании параметров межфазных границ уделяется методам, основанным на анализе оцифрованного изображения зоны двух- и трехфазного контакта [Емельяненко A.M. // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2009. Т.45. №1. С.92]. В этой группе методов в общем случае оцифрованное изображение зоны трехфазного контакта получается с помощью оптической системы, видеовизионной камеры и соответствующего цифрового видео процессора, преобразующего аналоговое изображение видеокамеры в цифровое, в дальнейшем записываемое в память компьютера. В современных установках вместо видеовизионных камер часто используются цифровые, позволяющие исключить из представленной выше схемы цифровой видео процессор. Перспективность этого направления определяется, во-первых, малыми временами записи изображений, что позволяет исследовать не только статику, но и кинетику изменений в зоне трехфазного контакта. Во-вторых, появляется возможность производить с изображениями арифметические и логические операции, что, в свою очередь, позволяет устранять некоторые недостатки в полученном изображении, понижать влияние шумов на точность нахождения границы раздела фаз. И, наконец, пиксельное, а в ряде случаев и субпиксельное разрешение при получении профиля межфазного контакта дает возможность очень точно определять такие параметры, как углы смачивания, поверхностное натяжение жидкости, объем капли и т.д. В общем случае устройство для измерения углов смачивания и поверхностного натяжения жидкостей включает (Фиг.1): источник света 1, световод 2, диффузор 3, объектный столик 4, дозатор жидкости 5, оптическую систему 6, видеокамеру 7, видеокарту 8 и компьютер 9.
Известно устройство EasyDrop фирмы «Kruss», Германия, (Каталог «Поверхностное и межфазное натяжение. Краевой угол смачивания»), в котором в качестве источника освещения используется галогеновая лампа с диффузором из матового стекла, в качестве оптической системы применяется объектив с 6-кратным увеличением, в качестве видеокамеры - монохромная CMOS-камера, присоединяемая к USB порту компьютера. Хотя, согласно описанию в каталоге, указанное устройство может использоваться совместно с переносным компьютером (ноутбуком), для питания лампы и камеры требуется напряжение 220 вольт, что усложняет возможности использования устройства в полевых условиях.
Предлагаемое устройство решает задачу исследования смачиваемости поверхностей конструкционных материалов во внелабораторных условиях. Указанный технический результат достигается тем, что в качестве источника освещения используется светодиодная лампа, а в качестве видеокамеры - USB-камера с высоким пространственным разрешением, питание которых осуществляется через USB порт ноутбука, благодаря чему устройство может работать без подключения к внешнему источнику электроэнергии. В качестве оптической системы используется телецентрический объектив с перестраиваемым рабочим расстоянием при фиксированном увеличении, что позволяет исключить из оптической части механические элементы, обеспечивающие взаимное перемещение объектива и объекта. Благодаря этому значительно снижается вес установки и требования к элементам точной механики.
Примером реализации портативного устройства для измерения углов смачивания и поверхностного натяжения жидкостей является устройство, в котором в качестве источника освещения используется светодиодная лампа, подключаемая к USB порту ноутбука, с матовым стеклом в качестве диффузора, объектным столиком служит регулируемый трехосный предметный столик фирмы Edmund Optics, в качестве дозатора жидкости используется микрошприц Proline 1-100, оптической системой является телецентрический объектив MVO 1X, в качестве видеокамеры используется цифровая монохромная USB камера высокого разрешения PixeLink PL-B686MU. Питание и управление работой видеокамеры и источника освещения осуществляется через USB порт ноутбука Sony Vaio, в котором также осуществляется запись и обработка изображений капель жидкостей на тестируемых поверхностях, вычисление величин краевых углов и других требуемых характеристик капель.
Источники информации
1. Адамсон А. Физическая химия поверхностей. М.: Мир, 1979.
2. Neumann A.W., Good R.J. In: Surface and Colloid Science, ed. by Good R.J. and Stromberg R.S. N.Y.: Plenum Press, 1979. V.11. P.31.
3. Redon C., Ausserre D., Rondelez F.//Macromolecules. 1992. V.25. №22. P.5965.
4. Емельяненко A.M. // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2009. Т.45. №1. С.92.