Способ определения краевых углов смачивания волокон жидкостями на границе с воздухом Российский патент 2025 года по МПК G01N13/02 

Изобретение относится к области производства волокнистых полимерных композитов, а именно к определению краевых углов смачивания волокон жидкостями, для регулирования адгезионного взаимодействия в системе «волокно - связующее».

Смачивание элементарного волокна с жидкостью является самопроизвольным явлением и наблюдается при контакте твердой и подвижной фаз с образованием краевого (контактного) угла смачивания.

Известен экспресс-метод оценки смачивающей способности волокнистых частиц RU 2100797, который заключается в уплотнении волокнистых частиц и определении смачиваемости полярной и неполярной жидкостями. Недостатком метода является невозможность количественной оценки измерения краевого угла смачивания, метод дает характеристику только гидрофобности либо гидрофильности поверхности.

Известен метод «лежащей» капли [Bashforth F, Adams JC. An attempt to test the theory of capillary action. Cambridge, 1892], суть которого заключается в нанесении капли малого объема на твердую поверхность с последующим измерением по ее профильному изображению краевого угла смачивания. Недостаток данного метода заключается в сложности нанесения соизмеримой капли на поверхность твердого тела (элементарного волокна), точности измерения краевого угла смачивания (гистерезис смачивания, шероховатость поверхности и др.).

Известен также способ измерения краевого угла смачивания элементарных волокон с жидкостями, описанный в а.с. №320754, опубл. 07.08.1969, который отличается от метода «лежащей» капли тем, что используется два элементарных волокна, держатель выполняется в виде двух соосно расположенных цилиндров, один из которых закреплен неподвижно, а другой установлен с возможностью вращения. После закрепления волокон и нанесения капли плавным вращением верхнего волокна добиваются такого взаимного расположения волокон, когда горизонтальная проекция одного из менисков жидкости вокруг нижнего волокна станет прямой линией. Недостаток данного способа связан со сложностью исполнения, длительностью, а в некоторых случаях невозможностью закрепления волокон в виду их низкой прочности, сложностями, которые связаны с нанесением капли соизмеримого объема на поверхность элементарного волокна.

Наиболее простым, близким по технической сущности и по достигаемому эффекту является способ экспериментального определения угла смачивания по углу касательной, проведенной в точке контакта жидкости с волокном с использованием волокна, кюветы с жидкостью, монтируемых на горизонтальном микроскопе (отмечен в а.с. №320754, опубл. 07.08.1969 и в а.с. №307320, опубл. 21.06.1971). Основным недостатком считается трудоемкость вертикальной установки волокна и операции фотографирования мениска. Данный способ смачивания элементарного волокна принят за прототип.

Технический результат достигается улучшением точности определения краевого угла смачивания волокон жидкостями по видео, микрофотографиям, а именно по углу касательной, проведенной в точке контакта жидкости с волокном. При этом недостатки прототипа устраняются за счет помещения элементарного волокна в держатель, который позволяет без механических повреждений надежно закрепить вертикально подвешенное на грузике элементарное волокно, подвижному столику, зеркалу (с источником света); высокой точности определения точки касания элементарного волокна с жидкостью, обеспечивающейся высокой разрешающей способностью микрофотографии, выполненной при оценке краевого угла смачивания по видеоматериалам с фокусом места контакта.

Сущность заявленного изобретения заключается в определении краевого угла смачивания погружением вертикально расположенного элементарного волокна с грузиком, закрепленного при помощи держателя, в кювету жидкостью, полученной на основе микрофотографии по видео с высокой разрешающей способностью.

Заявленный способ иллюстрируется Фиг.1-3.

На Фиг.1 представлена схема определения краевого угла смачивания, установка, микрофотография смачивания по видеоматериалам.

1 - схема определения краевого угла смачивания (1 - элементарное волокно, 2 - жидкость, 3 - грузик, 4 - кювета, 5 - подвижный столик, 6 - держатель элементарного волокна, 7 - горизонтальный микроскоп 8 - подвижное зеркало (с источником света));

Фиг.2 - установка для определения краевого угла смачивания;

Фиг.3 - пример микрофотографии смачивания элементарного волокна со связующим, выполненным при перемещении волокна вверх.

Далее заявителем приведено описание заявленного способа.

На 1-м этапе элементарное волокно устанавливают в вертикальное положение на держатель, на свободный конец элементарного волокна подвешивают грузик, опускают в кювету с жидкостью;

На 2-м этапе с помощью горизонтально расположенного микроскопа выполняют микрофотографию с высокой разрешающей способностью за счет регулирования условий проведения измерения (держатель, подвижный столик, подвижное зеркало (с источником света)).

Таким образом, из описанного выше можно сделать вывод, что заявителем достигнут заявленный результат, а именно усовершенствован прототип измерения краевого угла смачивания, в целях регулирования адгезионного взаимодействия системы «волокно - связующее».

Заявленный способ соответствует критерию «новизна», предъявляемому к изобретениям, так как из исследования уровня техники не выявлены решения, обладающие заявленной совокупностью признаков, обеспечивающих достижение заявленных результатов.

Заявленный способ соответствует критерию «изобретательский уровень», предъявляемый к изобретениям, так как не является очевидным для области изучения поверхностных явлений.

Заявленный способ соответствует критерию «промышленная применимость», так как может быть реализован при производстве волокнистых полимерных композиционных материалов для различных стандартных технологий формирования изделия.

Изобретение относится к области изучения поверхностных явлений, а именно к измерению краевых углов смачивания волокон жидкостями, и может быть использовано в производстве волокнистых полимерных композитов, в частности гибридных, при регулировании адгезионного взаимодействия системы «волокно - связующее». Способ определения краевых углов смачивания включает установку элементарного волокна в вертикальное положение при помощи держателя, подвешивание на свободный конец элементарного волокна грузика и опускание его в кювету с жидкостью, выполнение с помощью горизонтально расположенного микроскопа микрофотографии точки касания элементарного волокна с жидкостью с высокой разрешающей способностью за счет регулировки держателя, подвижного столика и подвижного зеркала с источником света, определение угла путем построения касательной в месте контакта элементарного волокна с жидкостью. Техническим результатом является повышение точности измерения краевых углов смачивания. 3 ил.

Способ определения краевых углов смачивания, включающий установку элементарного волокна в вертикальное положение при помощи держателя, подвешивание на свободный конец элементарного волокна грузика и опускание его в кювету с жидкостью, выполнение с помощью горизонтально расположенного микроскопа микрофотографии точки касания элементарного волокна с жидкостью с высокой разрешающей способностью за счет регулировки держателя, подвижного столика и подвижного зеркала с источником света, определение угла путем построения касательной в месте контакта элементарного волокна с жидкостью.