用于表征材料表面自洁性能的测试仪及测试方法与流程

本发明属于自清洁材料研究技术领域，涉及一种基于材料表面对液态物质(如水、油等)的吸附性能，对材料表面自洁性能量化的测试技术，具体涉及一种对材料表面自洁性能进行表征的测试技术。

背景技术

自清洁材料是指材料表面的污染物或灰尘在重力、雨水、风力或太阳能等自然外力的作用下能够自动脱落或被降解的一种功能性材料。自清洁材料在自然条件下可以维持表面的清洁，无须刻意清洗，就能够保持材料表面光亮如新，大大减少了清洁成本，并降低高空作业队清洗工人生命安全的威胁。近年来研究的自清洁材料已逐渐被应用到涂料工业、建筑建材、管道输送、车辆交通、电子设备、纺织品等多个领域。

虽然，自清洁材料具有多方面优势，但是对于自清洁材料的自洁能力，其相关定量分析方法研究较少，从而限制了人们对自清洁材料的选择。

专利申请号为cn200710008521.1的申请文件公开了一种自洁玻璃接触角的在线测量方法，以接触角的大小作为评判材料表面自洁能力的标准，通过测量接触角来判定材料是否为自清洁材料，但是接触角的测量过程需要经过取样、样片前期处理、光照、冷却、调整接触角测试系统、调整湿度和温度、测量接触角等多个操作，测量过程十分繁琐，耗时长，且精度容易受测试环境湿度和温度影响。

因此，研发一种用于表征材料表面自洁性能的测试仪，使人们对材料自洁能力有更加直观、清晰的了解，从而对自清洁材料的选择更有针对性、实用性。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述现有技术中缺少材料表面自洁性能表征装置的技术现状，基于材料表面对于液态物质(如水、油等)的吸附性能，提供一种用于表征材料表面自洁性能的测试仪，能够实现对材料表面自洁性能的定量分析，其吸附能力越弱，说明材料的自洁能力越强。

为了达到上述目的，本发明采取以下技术方案来实现。

本发明提供的用于表征材料表面自洁性能的测试仪，包括基座及安装在基座上的第一张紧机构、第二张紧机构、摄像机构和保护罩，第一张紧机构和第二张紧机构分别用于张紧一块待测材料；

所述第一张紧机构包括安装于基座上的力传感器及安装在力传感器上的第一支撑框架，第一支撑框架设置有用于承载一块待测材料的第一支撑面；

所述第二张紧机构包括安装于基座上的升降支架、第二支撑框架和旋转电机；所述旋转电机安装于升降支架上，并在升降支架的驱动下沿竖直方向上下移动；所述第二支撑框架固连于旋转电机的输出转轴上；所述第二支撑框架设置有用于承载另一块待测材料的第二支撑面；所述第二支撑面位于第一支撑面的上方；

所述摄像机构包括安装于基座上的支架及安装于支架上的摄像机；所述摄像机位于第二支撑面的上方，且其摄像范围覆盖第一支撑面和第二支撑面的重叠区域；

所述保护罩用于将两待测材料隔离，置于第一支撑面和第二支撑面之间。

上述用于表征材料表面自洁性能的测试仪，针对的待测材料为对于测试用液态物质完全不吸收的材料，利用第一张紧机构、第二张紧机构固定两块待测材料，基于材料表面对于液态物质的吸附性能，将液态物质滴到固定于第二张紧机构的待测材料上直至过饱和，由旋转电机带动待测材料旋转使超出待测材料最大吸附量的液态物质甩落，并通过摄像机采集待测材料表面液滴分布情况，为判断材料自洁性能提供相应数据；进一步的，将第二张紧机构上待测材料带有液态物质的下表面与第一张紧机构上待测材料的上表面接触并挤压，并采用力传感器测量两待测材料分离过程中的最大拉力。最后依据采集的图像和数据对待测材料的自洁性能进行分析。

上述用于表征材料表面自洁性能的测试仪，为了固定待测材料，本发明中所述第一支撑框架由多根支撑杆组成，其中至少三根支撑杆顺次连接构成第一支撑面，其余支撑杆固定于第一支撑面和力传感器之间，用于将第一支撑框架整体固定于力传感器上。为了简化第一支撑框架结构，在优选的实施方式中，第一支撑面是由四根支撑杆顺次连接构成的矩形结构。

上述用于表征材料表面自洁性能的测试仪，本发明中所述升降支架的作用是带动第二支撑面上的待测材料缓慢向下移动，直至与第一支撑面上的待测材料接触，并保持挤压状态一段时间后，再带动第二支撑面上的待测材料缓慢向上移动，使两待测材料分离。为了能够确保精确测量两待测材料分离过程中的最大拉力，升降支架的升降速率不能太大，一般不超过1mm/s。本发明中所述升降支架的具体实现方式为：在支架本体上设置滑动配合的滑轨及滑块，滑块由驱动机构带动沿滑轨移动，驱动机构为本领域已经披露的常规动力源，例如步进电机或电动缸等。旋转电机固定在滑块上。为了更好的固定待测材料，升降支架优选数量为两个，两个升降支架相对设置，第二支撑框架相对的两端分别固连于安装在两个升降支架上的旋转电机输出转轴上。进一步的，为了固定待测材料，本发明中所述第二支撑框架由多根支撑杆组成，其中至少三根支撑杆顺次连接构成第二支撑面，其余支撑杆固定于第二支撑面和旋转电机输出转轴之间；当升降支架为两个，且相对设置时，其余支撑杆分为两部分，分别固定于第二支撑面两端与对应的旋转电机输出转轴之间。为了简化第一支撑框架结构，在优选的实施方式中，第一支撑面是由四根支撑杆顺次连接构成的矩形结构。

上述用于表征材料表面自洁性能的测试仪，旋转电机的作用是带动第二支撑框架和固定在其上的待测材料进行缓慢旋转，以控制待测材料表面液态物质含量。为了稳定第二支撑框架及固定在其上的待测材料，需要旋转电机的扭力足够大，本领域技术人员可以根据第二支撑框架结构及材质，选择合适的旋转电机。

上述用于表征材料表面自洁性能的测试仪，所述第一支撑面和第二支撑面相对的两端分别设置有用于夹紧待测材料的夹子。第一支撑框架、第二支撑框架和夹子的设置是为了更好的固定两块待测材料，且在待测材料表面自洁性能测试过程中，需要保证第一支撑框架、第二支撑框架和夹子稳固，不发生相对移动。

上述用于表征材料表面自洁性能的测试仪，可以通过手动操作实现，也可以通过自动化控制来实现；当通过自动化控制来实现时，该测试仪进一步包括设置于基座侧面的操作面板和设置于基座内部的控制器；所述控制器分别与操作面板、力传感器、旋转电机、升降支架的驱动机构和摄像机电连接。所述控制器可采用单片机、可编程逻辑控制器(即plc控制器)或具有与上述功能类似的的其它类型控制器。所述操作面板包括分别与控制器电连接的显示屏幕、输入键盘、指示灯与电源键。其中，显示屏幕用于实时显示摄像机采集的图像、力传感器采集的拉力数据以及协助用户输入数据、读取数据等；输入键盘用于协助用户对装置进行数据与指令的输入(例如旋转电机的转速、升降支架的升降速率、摄像机的对焦等)；指示灯用于指引用户切换测试仪的各个测试操作；电源键用于开启和关闭测试仪。

所述用于标志材料表面自洁性能的测试仪，进一步包括沿基座周向设置的围栏；所述围栏的高度高于第一支撑面；所述围栏上与第一支撑面所对应的区域设置有保护罩安装点，保护罩可拆卸安装于围栏上。旋转电机旋转过程中，为了避免固定于第二支撑面上的待测材料表面液滴落到固定于第一支撑面上的待测材料表面，此时将保护罩置于第一支撑面和第二支撑面之间，隔离两待测材料。

本发明进一步提供了一种用于表征材料表面自洁性能的测试方法，利用所述测试仪按照以下步骤进行：

(1)将两块待测材料分别固定于第一支撑面和第二支撑面上，并用保护罩罩住第一支撑面上的待测材料；

(2)第二支撑面上的待测材料滴加液态物质直至铺满待测材料表面；

(3)控制旋转电机，使第二支撑框架带动第二支撑面上的待测材料旋转至少720°，停止旋转后，采用摄像机获取第二支撑面上的待测材料状态图像；

(4)控制旋转电机，使第二支撑框架带动第二支撑面上的待测材料带有液滴的面朝向第一支撑面上的待测材料，并取下保护罩；

(5)控制升降支架，使第二支撑框架带动第二支撑面上待测材料向下移动至与第一支撑面上的待测材料接触，并产生充分挤压，压力达到至少15n后控制升降支架停止下降，保持挤压至少20s，之后控制升降支架上升，同时记录力传感器得到的拉力大小直至两块待测材料完全分离，得到拉力突变前数值即两块待测材料分离过程中的拉力最大值；

(6)由步骤(3)采集的状态图像及步骤(6)获得的拉力最大值对待测材料的自洁性能进行分析。

上述用于表征材料表面自洁性能的测试方法，测试前需要将待测材料清洗、晾干，以保证待测材料表面干净、无尘、无污渍等；同时需要准备足量液态物质，测试过程中在第二支撑面上的待测材料滴加过饱和的液态物质(即铺满液态物质，最好到达即将溢出的临界点或者说超过待测材料所能吸附的液态物质的最大值)，之后由旋转电机输出转轴带动第二支撑框架缓慢旋转，使其在翻转中，待测材料表面超过其所能吸附的液态物质尽量甩落，待测材料表面最后吸附的液态物质的量即为其所能吸附的最大值。停止旋转后通过摄像机采集此时第二支撑面上的待测材料状态图像，分析得到其表面液滴数量、大小及分布情况。控制升降支架，使带有液滴的待测材料与另一块待测材料接触、挤压并分离，利用力传感器得到两块待测材料分离过程中的拉力最大值。由上述第二支撑面上待测材料表面的液滴数量、大小和分布情况以及两块待测材料分离过程中的拉力最大值，可对待测材料的自洁性能进行综合评价，为人们对自清洁材料的选择给出选择依据。若第二支撑面上待测材料表面的液滴数量较多且较大，且两块待测材料分离过程中的拉力较大，均可说明待测材料的自洁能力较差。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明提供的用于表征材料表面自洁性能的测试仪及测试方法，基于材料表面对液态物质(如水、油等)的吸附性能，利用第一张紧机构和第二张紧机构张紧待测材料，并控制待测材料的旋转、接触挤压与分离，通过测量单一待测材料表面液滴附着数量、大小以及两待测材料之间拉力，便可实现对材料表面自洁性能的分析，进而有助于本领域技术人员对各种自清洁材料性能进行比较，便于根据需求选择出合适的自清洁材料；同时也有助于扩大自清洁材料在各领域(如生活家居、生物医药、临床医学等)的使用范围；

(2)本发明提供的用于表征材料表面自洁性能的测试仪，结构简单、操作方便，成本低，易于制作加工，具有广泛的市场需求和应用前景，适于在本领域内推广使用；

(3)本发明提供的用于表征材料表面自洁性能的测试方法，对于测试环境没有要求，对待测材料也不需要进行复杂的预处理；测试中，除了样品放置与步骤切换需要人手操作，其余过程皆可由机械自动完成，操作流程得到了极大的简化，同时降低了操作难度，且测试周期较短(不足10min)，具有较高的测试效率；

(4)本发明提供的用于表征材料表面自洁性能的测试方法，经研究两待测材料之间的分离拉力与材料表面对液滴的吸附强度具有一定的关系，因此分离拉力能够反映出材料表面对杂质的吸附性能，结合单一待测材料表面液滴数量、大小，可以较为准确地反映待测材料的自洁性能。

(5)本发明提供的用于表征材料表面自洁性能的测试方法，通过单一待测材料表面分布有液滴的图像，一方面能够更加直观说明材料的自洁性能，另一方面相对于人眼识别，可以避免因液滴大小、数量等影响产生的视觉误差，在能够精确给出液滴数量、大小及分布情况的同时，还可以对所有液滴进行汇总，通过液滴总面积确定材料表面吸附液态物质的最大量，确定材料表面的自洁性能。

附图说明

图1为本发明用于表征材料表面自洁性能的测试仪空载状态示意图。

图2为本发明用于表征材料表面自洁性能的测试仪载物状态示意图。

图3为本发明用于表征材料表面自洁性能的测试仪旋转电机旋转720°时的工作状态示意图。

图4为本发明用于表征材料表面自洁性能的测试仪两待测材料接触挤压时的工作状态示意图。

图5为控制器与操作面板、力传感器、步进电机、摄像机等连接的电子线路图。

附图中，1-基座，2-操作面板，3-围栏，4-力传感器，5-第一支撑框架，6-升降支架，7-滑块，8-旋转电机，9-转轴，10-第二支撑框架，11-夹子，12-支架，13-摄像机，14-保护罩安装点，15-保护罩。

具体实施方式

以下将结合附图给出本发明实施例，并通过实施例对本发明的技术方案进行进一步的清楚、完整说明。显然，所述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明内容，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

实施例

本实施例以矩形待测材料为例，对本发明提供的用于表征材料表面自洁性能的测试仪及测试方法进行详细的说明。待测材料需要有较大的硬度，以确保在测试过程中，两待测材料挤压阶段不发生弯曲，若发生弯曲将使测试结果偏小，本实施例中采用的是玻璃。

本实施例提供的用于表征材料表面自洁性能的测试仪，如图1至图4所示，该测试仪包括基座1及安装在基座上的第一张紧机构、第二张紧机构、摄像机构、设置于基座侧面的操作面板2、设置于基座内部的控制器、沿基座周向设置的围栏及保护罩15，第一张紧机构和第二张紧机构分别用于张紧一块待测材料；保护罩15用于将两待测材料隔离。

如图1及图2所示，第一张紧机构包括安装于基座上的力传感器4及安装在力传感器上的第一支撑框架5。第一支撑框架5由八根金属支撑杆组成，其中四根支撑杆顺次连接构成一矩形第一支撑面，用于承载一块待测材料；其余支撑杆一端与第一支撑面的顶角连接，另一端固定于力传感器上，从而将第一支撑框架整体固定于力传感器上。构成矩形第一支撑面的四根支撑杆中相对的两根支撑杆上分别设置有两个夹子11，用于夹紧待测材料。支撑杆的材质也可以选择其它具有一定硬度的材料，但要确保使用过程中不发生相对移动。

如图1及图2所示，第二张紧机构包括安装于基座上的升降支架6、第二支撑框架10和旋转电机8。升降支架6的支架本体上设置有滑动配合的滑轨及滑块7，滑块由驱动机构带动沿滑轨移动；本实施例以步进电机作为驱动机构。旋转电机8固定在滑块7上，并在滑块的带动下沿滑轨上下移动。本实施例中，升降支架数量为两个，两个升降支架相对设置，且两个升降支架上的滑块位于同一水平面，两者做同步移动。第二支撑框架10由八根金属支撑杆组成，其中至少四根支撑杆顺次连接构成一矩形第二支撑面，用于承载另一块待测材料；构成矩形第二支撑面的四根支撑杆中相对的两根支撑杆中部分别与相对设置的升降支架上旋转端机8的输出转轴9连接，其余四根支撑杆分为两组，每组的支撑杆一端与第二支撑面顶角连接，另一端连接于相应的转轴9上。此外，构成矩形第二支撑面的四根支撑杆中相对的两根支撑杆上分别设置有两个夹子11，用于夹紧待测材料。第二支撑面位于第一支撑面的上方。支撑杆的材质也可以选择其它具有一定硬度的材料，但要确保使用过程中不发生相对移动。

如图1及图2所示，摄像机构包括安装于基座上的支架12及安装于支架上的摄像机13；摄像机13位于第二支撑面的上方，摄像头朝下，正对第一支撑面和第二支撑面重叠区域的正中央，使其摄像范围覆盖第一支撑面和第二支撑面的重叠区域。

如图1及图2所示，本实施例以单片机作为控制器，分别与操作面板2、力传感器4、旋转电机8、步进电机和摄像机13电连接。操作面板2包括分别与控制器电连接的显示屏幕、输入键盘、指示灯和电源键，指示灯包括绿色指示灯和橙色指示灯，绿色指示灯用于显示测试仪处于采集第二支撑面待测材料上液滴状态图像的第一测试状态，橙色指示灯用于显示测试仪处于测量两待测材料分离过程中拉力情况的第二测试状态。

如图5所示，单片机作为控制器通过电子线路与操作面板、力传感器4、旋转电机8、步进电机和摄像机13相连，通过电路操控旋转电机8、步进电机的机械运动，也可以接收、处理从操作面板2、力传感器4和摄像机13输入的信号。

如图3所示，与第一支撑面相对应区域的围栏3上设置有四个保护罩安装点14，保护罩15可拆卸安装在保护罩安装点上。保护罩15呈长方体型，将包括第二支撑面和力传感器的的第一张紧机构罩起来，用于将两待测材料隔离。

本实施例以蒸馏水为液态物质来测试待测材料(玻璃)表面的自洁能力。在对待测材料进行测试前，需要先对待测材料表面进行以下处理：

(1)在超声条件下，用无水乙醇对待测材料清洗1min；

(2)在超声条件下，用蒸馏水对待测材料清洗1min；

(3)将清洗后的待测材料晾起、烘干。

利用上述测试仪对材料表面自洁性能的测试过程包括以下操作步骤：

(1)接通电源，使测试仪进入初始化状态，此时电源键发亮，测试仪进入准备状态；此时可使升降支架上的滑块7处于最高位置。

(2)将待测材料依据第一支撑面和第二支撑面的形状切割为两块(最好为略小于第一支撑面和第二支撑面的矩形)，再将两块待测材料分别固定于第一支撑面和第二支撑面上，并用夹子11夹紧，确保牢固固定；并将保护罩安装在围栏的保护罩安装点14上，防止下一步操作中粘附于第二支撑面上的待测材料的液体物质掉落到第一支撑面上的待测材料。

(3)准备足量的蒸馏水，用胶头滴管向第二支撑面上的待测材料滴加蒸馏水直至铺满待测材料表面。

(4)将测试仪设置为第一测试状态，操作面板2绿色指示灯亮起，控制旋转电机8，带动第二支撑框架及固定在第二支撑面上的待测材料缓慢旋转720°(转速约为360°/min)，停止旋转后，采用摄像机聚焦并获取第二支撑面上的待测材料状态图像，如图3所示；并将采集的图像显示在显示屏幕上。

(5)图像采集结束后，控制旋转电机8，带动第二支撑框架及固定在第二支撑面上的待测材料继续旋转180°至待测材料带有水滴的面朝向第一支撑面上的待测材料，并取下保护罩15。

(6)将测试仪设置为第二测试状态，操作面板2橙色指示灯亮起，控制升降支架，滑块7带动第二支撑框架及固定在第二支撑面上的待测材料向下缓慢移动(移动速率不超过1mm/s)至与第一支撑面上的待测材料接触，并产生充分挤压，至压力达到15n(该压力由力传感器检测得到，可实时显示在操作面板的显示屏幕上)后控制升降支架停止下降，保持挤压时间20s，如图4所示；之后控制升降支架以同样的速率使滑块上升，同时记录力传感器检测到的拉力大小，并显示在显示屏幕上；直至两块待测材料完全分离，得到拉力突变前数值即两块待测材料分离过程中的拉力最大值。

(7)由步骤(4)采集的状态图像及步骤(6)获得的拉力最大值对待测材料的自洁性能进行分析。

依据本领域已经披露的常规手段，分析第二支撑面上的待测材料状态图像中第一支撑面和第二支撑面重叠区域，统计得到第二支撑面上待测材料表面水滴数量、大小及分布情况。由上述统计得到的第二支撑面上待测材料表面水滴数量、大小和分布情况以及两块待测材料分离过程中的拉力最大值，可对待测材料的自洁性能进行综合评价，为人们对自清洁材料的选择给出选择依据。经研究分析，第二支撑面上待测材料表面水滴数量较多、尺寸较大，两块待测材料分离过程中的拉力较大，均表明待测材料自洁性能较差；反之，第二支撑面上待测材料表面水滴数量较少、尺寸较小，两块待测材料分离过程中的拉力较小，均表明待测材料自洁性能较好。

测试结束后，将升降支架上的滑块升至最高位置，取下第一支撑框架和第二支撑框架上的待测材料，擦拭干净待测材料和测试仪以及保护罩上的蒸馏水，关闭测试仪，测试过程结束。

需要注意的是，为了确保材料表面自洁性能的测试过程中的定量分析，需要尽量满足以下几点：(1)第二支撑面上的待测材料表面滴加的蒸馏水要达到过饱和(即铺满蒸馏水，最好到达即将溢出的临界点或者说超过待测材料所能吸附的蒸馏水的最大值)，使其在随后翻转中，待测材料表面超过其所能吸附的水尽量甩落，待测材料表面最后吸附的蒸馏水的量即为其所能吸附的最大值，这由所采集的第二支撑面上的待测材料状态图像获得；(2)在对两种以上不同的材料的自洁能力进行测试时，确保挤压压力和升降支架下降停止后稳定的时间相同，以使挤压过程中排出两待测材料之间空气的能力相同，减少其它因素对两种材料分离带来的影响，使两种材料分离过程中的最大拉力定量反应材料对水的吸附能力，吸附能力越大，两种材料分离所需的拉力也随之增大。

本发明用于表征材料表面自洁性能的测试仪及测试方法是一种简便、全面、准确量化材料表面自洁性能的测试技术，可适用于任何材料对于任何其完全不吸收的液态物质的表面自洁性能的测试，尤其适用于具有一定自清洁性能的材料，对于这类材料，在步骤(4)旋转过程中，蒸馏水被大部分甩落，即使留在待测材料表面的水滴不仅数量少，尺寸小，分散性分布，难以实现定量分析，此时通过本发明提供的测试仪及测试方法，便可获得清晰的第二支撑面上的待测材料状态图像，利用现有的计算机图像区域分辨统计软件(例如promegacolonycounterapp软件)可以精准地量化第二支撑面上的待测材料状态图像中的水滴数与水滴大小，再结合两块待测材料之间分离的拉力，可实现对待测材料表面自洁性能较为准确的分析。

上面的水可以用其它液态物质替代，这样不仅可以实现不同材料表面的自洁能力的测试优劣，还可以实现同一材料对不同液态物质的自洁能力测试，具有广泛的适用性。