Спосіб вимірювання крайового кута змочування поверхні

Винахід відноситься до вимірювальної техніки і може бути використаний для контролю стану поверхні твердих і рідких тіл. Крайовий кут характеризує ступінь змочування поверхні рідиною і визначається співвідношенням поверхневого натягу рідини і поверхневої енергії змочуваного тіла. Вимірювання крайового кута є основною операцією в багатьох методах визначення характеристик твердих і рідких поверхонь, які широко застосовуються в промисловості, медицині, наукових дослідженнях та інших галузях. Зокрема, вимірювання крайового кута знайшло широке застосування в виробництві полімерної плівки, як засіб визначення адгезійних властивостей. Способи вимірювання крайового кута базуються на визначенні характеристик форми поверхні рідини поблизу межі розділу фаз. Можна виділити два підходи до вирішення цієї задачі. Перший підхід представляють способи, в яких вимірюють параметри, що визначають форму всієї поверхні рідини або достатньо великої її ділянки [1-3]. Прикладами такого підходу є метод лежачої (висячої) краплі, в якому вимірюють висоту і радіус краплі, і метод пластини Вільгельмі, в якому вимірюють висоту меніску [1]. Істотною рисою цих методів є необхідність визначення положення межі розділу фаз з високою точністю [2]. З цієї причини при підвищеній змочуваності, коли точність визначення положення межі знижена, похибка вимірювання крайового кута помітно зростає. Другий підхід представляють способи, [4-6], в яких визначають кут відбиття плоского пучка випромінювання від невеликої ділянки поверхні рідини, що прилягає до межі розділу фаз, а потім розраховують крайовий кут, використовуючи закон відбиття. Визначення кут відбиття здійснюють по кутовому положенню тіні, що утворюється завдяки наявності фазового злому на межі розділу фаз. Точність вимірювань пов'язана з різкістю тіні, яка, в свою чергу, з умовлена дифракційним і геометричним зміненням фронту відбитого випромінювання. В умовах підвищеної змочуваності, коли кривизна поверхні рідини незначна і тінь - різка, такий підхід більш ефективний, ніж попередній. Однак, при середній і малій змочуваності його використання натикається на складнощі, зумовлені зниженням різкості тіні. Найбільш близьким за технічною суттю до винаходу є спосіб [5], в якому направляють плоский пучок лазерного випромінювання на межу розділу фаз таким чином, щоб були освітлені прилеглі до межі невеликі ділянки поверхонь рідини і твердого тіла, визначають кутове положення межі тіні пучка, що утворюється при відбитті від поверхні рідини або при заломленні на поверхні рідини, і розраховують крайовий кут змочування відповідно до закону відбиття. Недоліком прототипу є втрата точності вимірювання внаслідок геометричного і дифракційного змінення відбитого пучка. Метою винаходу є створення способу, який забезпечував би більш високу точність вимірювання крайового кута, ніж прототип. Мета досягається за рахунок точного визначення положень границь геометричної тіні для вторинних пучків, що утворюються при відбитті від суміжних ділянок твердої поверхні і поверхні рідини або при заломленні на означених поверхнях. Ця задача вирішується за допомогою двох заходів. Першим заходом є отримання просторового розподілу інтенсивності випромінювання поблизу зони тіні, і здійснюється він шляхом перетворення вторинних пучків за допомогою спеціальної оптичної системи. Другим заходом є аналіз отриманого просторового розподілу на базі відомих закономірностей крайової дифракції [7] і виявлення граничних точок геометричної тіні. Один з методів полягає в тому, що поблизу краю зони тіні відшукують максимум в розподілі інтенсивності, а потім знаходять граничну точку геометричної тіні XJ, як таку, де рівень інтенсивності становить 0,18 від максимального. Другий метод полягає в використанні співвідношень між положеннями характерних точок в розподілі інтенсивності. Зокрема, можна використати відношення між відстанями х1 - х1max = 1 84 , x1max - x 2 max де x1max - положення першого (головного) максимуму в розподілі інтенсивності і x 2 max - положення другого (сусіднього) максимуму. Третій метод полягає в тому, що на поверхню почергово направляють колінеарні пучки (щонайменше два) з різною довжиною хвилі, а відповідні розподіли інтенсивності вторинних пучків нормують таким чином, щоб максимальні значення були однаковими. Порівнюючи нормовані розподіли, знаходять точку x1 , в якій рівні інтенсивності однакові. Одним з вказаних прийомів знаходять другу граничну точку геометричної тіні x 2 . Визначивши розмір зони геометричної тіні s = x 2 - x 1 , розраховують крайовий кут змочування q згідно виразів æ s ö q = arctgç (1) ÷ è 2× B ø при використанні пари відбитих пучків і æ s ö (2) q = arctgç ç ÷ B × (n - 1) ÷ è ø при використанні пари заломлених пучків, де B - елемент матриці перетворення, n - показник заломлення рідини. Суть винаходу пояснюється малюнками, де показані: на фіг.1 - схема реєстрації розподілу інтенсивності пучків, які утворюються при відбитті від суміжних ділянок твердої поверхні і поверхні рідини; на фіг.2 - схема реєстрації розподілу інтенсивності пучків, які утворюються при заломленні на суміжних ділянках твердої поверхні і поверхні рідини; на фіг.3 - розподіл інтенсивності для пари вторинних пучків, які утворилися при проходженні випромінювання крізь полімерну плівку з активованою поверхнею; що змочується рідиною, і були перетворені за допомогою телескопічної оптичної системи; на фіг.4 - розподіл інтенсивності поблизу границі тіні. Заявлений спосіб реалізують таким чином. Пучок лазерного випромінювання 1 спрямовують приблизно перпендикулярно до твердої поверхні 2 таким чином, щоб ця поверхня і поверхня рідини 3 були освітлені приблизно в рівній мірі. Пару вторинних пучків 4, що утворюються при відбитті або проходженні, перетворюють за допомогою оптичної системи 5 таким чином, щоб розподіл інтенсивності 6 в вихідній площині системи мав чітко виражену зону тіні 7. Розподіл 6 реєструють за допомогою просторово чутливого фотоприймача 8, яким, зокрема, може бути лінійна ПЗЗ-мікросхема. Розподіл 6, зображений на фіг.3 отримано для активованої поверхні поліетилентерефталатної плівки, змоченої формамідом, по схемі, зображеній на фіг.2. Перетворення пучків здійснювалося телескопічною оптичною системою, значення елементів матриці перетворення якої становили A = 9,5 , B = 400мм , С = 0 , В = 0,105 . Для реєстрації розподілу б використовувалась лінійна ПЗЗ-мікросхема типу К1200ЦЛ2 (1024 чутливи х елемента, період 24мкм). Наступним кроком відшукують граничні точки геометричної тіні. Ця операція виконується окремо для кожної границі тіні одним з вказаних нижче методів (див. фіг.4). Згідно першого методу спочатку відшукують максимум 9 в розподілі інтенсивності, який є найбільший і, в той же час, найближчий до границі тіні 7. Зміщуючись з положення максимуму 9 в напрямку до границі тіні 7, знаходять точку x1 , в якій рівень інтенсивності становить 0,18 від максимального, і вважають її граничною точкою зони геометричної тіні x1 . Згідно другого методу вимірюють відстань d між положенням x1max першого (головного) максимуму в розподілі інтенсивності і положенням x 2 max другого (сусіднього) максимуму, і визначають точку x1 що знаходиться на відстані 1,84 d від положення першого максимуму x1max в напрямку до зони тіні 7. Ще один метод полягає в тому, що на контрольовану поверхню почергово направляють колінеарні пучки з різною довжиною хвилі (наприклад, від гелій неонового лазера (632,8нм і 543,5нм), або від гелій-неонового і гелій-кадмієвого (441,6нм) лазерів), а отримані розподіли інтенсивності 6 вторинних пучків (фіг.4) нормують таким чином, щоб максимальні рівні інтенсивності розподілів були однаковими. Зміщуючись від одного з максимумів 9 в напрямку до зони тіні 7, знаходять точку x1 , в якій інтенсивності розподілів однакові. Далі визначають розмір зони геометричної тіні s = x 2 - x 1 і розраховують крайовий кут змочування q згідно виразів (1) або (2). В прикладі, наведеному на фіг. 3, крайовий кут q становить 2,72 кутових градуси. Похибка вимірювання зумовлена дискретністю фотоприймача, і оцінюється, як 0,01 кутового градуса, що на порядок менше за досягнуті в аналогах [4]. Джерела інформації: 1. А. Адамсон. Физическая химия поверхностей. М.: Мир, 1979, с.275. 2. C.Atae-Allah et al.. Measurement of surface tension and contact angle using entropic edge detection. Measurement Science and Technology, v.l2, №3, 2001, p.288-298. 3. M.Blitshteyn, J.Hansen, R.K.Shaw. Method and apparatus for determining the contact angle of liquid droplets on curved substrate surfaces. Патент США №5137352. 4. C.A.Demoulin, D.Ausserre, F.Rondelez. Method and apparatus for determining the contact angle of a drop of liquid placed on a solid or liquid horizontal substrate. США №4688938. 6. H.Schneider, H.Rinck. Method of measuring the contact angle of wetting liquid on a solid surface. Патент США №5080484. 5. P.Martin, G. Le Boudec. Methods and devices for determining the contact angle of a drop of liquid placed on a substrate. Патент США №5115677. 7. А.Зоммерфельд. Оптика. М:, Изд-во иностр. лит., 1953г., глава V.