一种软物质材料的表面粘附能和弹性模量的测量方法

专利名称：一种软物质材料的表面粘附能和弹性模量的测量方法
技术领域：
本发明涉及一种对软物质材料的表面粘附能和弹性模量的测量方法。
背景技术：
对高分子弹性体和生物凝胶等软物质的表面粘弹性的测量一直是重要的研究领域。当两物体接触时会有粘附力产生，对于较刚性的物体，由于不容易发生形变因此可忽略粘附力的影响，而对于低弹性模量的软物质通常容易受外力产生形变，此时的粘附力将变得十分重要，对其准确的测量也变得十分重要。本发明中运用到了 Johnson, Kendall和Roberts在1971年阐述的JKR理论(K. L. Johnson, K. Kendall, A. D. Roberts, Proc. R. Soc. London A，1971 年第 324 卷 301-313页)，及定量的描述了理想弹性体相互接触时产生的粘附力与弹性势能之间的平衡。Shull等人之后对JKR理论有了进一步发展。常见的对软物质粘弹性的测量方法有“流变测量法”和“剥离强度测量法”。“流变测量法”是通过对软物质进行剪切并测量剪切力的变化来表征其流变性能，通常可以由商业化的流变仪来实现。“剥离强度测量法”是通过测量材料与附着的刚性基底剥离时所需的力来表征材料粘附力的大小，例如在吴涵申请的中国专利“膜的粘性测量方法”(专利公开号CN101192505)中，利用贴膜机作业平台勻速运动将待测膜与橡胶带剥离，读取拉力计读数作为待测膜的粘性测量结果。第一种方法仅局限于对低模量的流体物质进行测量，而不能对更高模量的弹性体或软物质进行表征，并且不能测量材料的表面粘附力。第二种不能对材料的弹性模量进行表征，测试是破坏性的且所需的样品量较大。

发明内容
鉴于以上问题，本发明的目的在于提供一种对软物质材料的表面粘附能和弹性模量的测量方法，该方法能同时对软物质材料的弹性模量和粘附能进行表征，并且测试时只需要微量体积的样品。为解决上述技术问题，本申请开发了一种基于JKR理论的定量测量和分析软物质材料的表面粘附能和弹性模量的方法，具体内容如下
一种软物质材料表面粘附能和弹性模量的测量方法，包括如下步骤
(1)根据被测样品的物理和化学性质进行测试样品的制备和探头的选择；
(2)所述测试样品的水平基底和所述探头以勻速相互接触并分离；
(3)在步骤(2)的整个过程中用压力传感器、位移传感器和光学显微镜分别同时测量所述水平基底与所述探头接触时的相互作用力P、相对位移δ和接触半径a ;
(4)在软件的控制下步骤( 可选择多次重复；
(5)利用步骤(3)中获得的数据，根据JKR理论定量分析所述测试样品的粘附能和弹性模量。所述水平基底和所述探头在电脑和步进电机的控制下以速度1 40 μ m/s连续地沿垂直方向进行相向运动，所述水平基底和所述探头接触并形成一个所述接触半径为a的圆形接触面积，所述水平基底与所述探头之间的垂直方向作用力为所述相互作用力P，所述水平基底与所述探头接触后的相对位移为S，然后所述水平基底与所述探头以相同速度进行相反运动直至分离。 所述测试样品制成平整的弹性薄膜A附着于透明基底，薄膜A的厚度为h，对应选择球形或球冠形状的刚性无机探头或刚性金属探头；
所述球形或球冠形状的半径为R，球面可根据需要均勻地镀上高分子材料薄膜B且膜厚为m。所述高分子材料薄膜B为高分子薄膜材料； 所述高分子材料薄膜B的厚度h》δ m, a/ δ > 1/2 ；
所述测试样品也可制成球冠形状的弹性探头，对应的水平基底为平面刚性材料，可根据需要均勻的镀上高分子材料薄膜C且膜厚为η ；
所述平面刚性材料为清洁的载玻片或硅片或镀金硅片，可切成lOmmxlOmm的正方形小片后使用；
所述高分子薄膜C的厚度h》δ η, a/ δ > 1/2 ； 所述球冠形状的弹性探头的球面半径为R，底面半径为r，高为h。所述光学显微镜从所述水平基底和所述探头中透明的一侧观察和记录所述接触面半径a。运用JKR理论定量计算弹性模量E*和能量释放速率G，包括以下两步
(1)计算弹性模量E*
通过测得的数据a、δ和P，根据公式(1)可以计算得到弹性模量Ε* ；当a h时，可用公式(2)近似计算弹性模量E*
权利要求
1.一种软物质材料表面粘附能和弹性模量的测量方法，其特征在于，包括如下步骤(1)根据被测样品的物理和化学性质进行测试样品的制备和探头的选择；(2)所述测试样品的水平基底和所述探头以勻速相互接触并分离；(3)在步骤(2)的整个过程中用压力传感器、位移传感器和光学显微镜分别同时测量所述水平基底与所述探头接触时的相互作用力P、相对位移δ和接触半径a ;(4)在软件的控制下步骤(2)可选择多次重复；(5)利用步骤(3)中获得的数据，根据JKR理论定量分析所述测试样品的粘附能和弹性模量。
2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述水平基底和所述探头在电脑和步进电机的控制下以速度1 40 μ m/s连续地沿垂直方向进行相向运动，所述水平基底和所述探头接触并形成一个所述接触半径为a的圆形接触面积，所述水平基底与所述探头之间的垂直方向作用力为所述相互作用力P，所述水平基底与所述探头接触后的相对位移为 δ，然后所述水平基底与所述探头以相同速度进行相反运动直至分离。
3.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于，所述测试样品制成平整的弹性薄膜A 附着于透明基底，薄膜A的厚度为h，对应选择球形或球冠形状的刚性无机探头或刚性金属探头；所述球形或球冠形状的半径为R，球面可根据需要均勻地镀上厚度为m的高分子材料薄膜B ；所述高分子材料薄膜B的厚度h >> δ m, a/ δ > 1/2。
4.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于，所述测试样品制成球冠形状的弹性探头，对应的水平基底为平面刚性材料；所述平面刚性材料为清洁的载玻片或硅片或镀金硅片，可根据需要均勻地镀上厚度为η的高分子材料薄膜C ；所述高分子材料薄膜C的厚度h δ η, a/ δ > 1/2。
5.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于，所述球冠形状的弹性探头的球面半径为R，底面半径为r，高为h。
6.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述光学显微镜从所述水平基底和所述探头中透明的一侧观察和记录所述接触面半径a。
7.根据权利要求3或6所述的测量方法，其特征在于，运用JKR理论定量计算弹性模量 E*和能量释放速率G，包括以下两步(1)计算弹性模量E*通过测得的数据a、δ和P，根据公式(1)可以计算得到弹性模量Ε* ；当a h时，可用公式(2)近似计算弹性模量E*
8.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述软物质材料是高分子弹性体、凝胶或薄膜。
9.根据权利要求3或4所述的测量方法，其特征在于，当测量所述测试样品与指定高分子材料表面的粘附能时，所述高分子材料薄膜B和所述高分子材料薄膜C的材料与所述指定高分子材料相同；当测量所述测试样品与疏水表面的粘附能时，所述高分子材料薄膜 B和所述高分子材料薄膜C是聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯或聚四氟乙烯；当测量所述测试样品与亲水表面的粘附能时，所述高分子材料薄膜B和所述高分子材料薄膜C是聚丙烯酸、 聚乙烯醇或聚酰胺。
全文摘要
本发明公开了一种软物质材料表面粘附能和弹性模量的测量方法。该测量方法实施的具体步骤包括(1)根据被测样品的物理和化学性质进行样品的制备和探头的选择；(2)控制水平基底和球形探头以匀速相向运动至接触并分离；(3)在步骤(2)的整个过程中用压力传感器、位移传感器和光学显微镜分别同时测量基底与探头接触时的相互作用力P，相对位移δ和接触半径a；(4)在软件的控制下步骤(2)、(3)可选择多次重复；(5)利用步骤(3)中获得的数据，根据JKR理论定量分析测试材料的粘弹性能。该测量方法在对高分子弹性体和生物凝胶等软物质的科学研究以及工业加工过程中的产品质量控制等方面有巨大的应用潜力。
文档编号G01N3/00GK102183441SQ20111004032
公开日2011年9月14日 申请日期2011年2月18日 优先权日2011年2月18日
发明者应耀国, 张锐, 房鼎业, 李莉, 杜伟, 郭旭虹, 黄世斌 申请人:华东理工大学