液固液界面接觸角測量中的應(yīng)用研究

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1、核磁共振技術(shù)在液-固-液界面接觸角測量中的應(yīng)用研究指導(dǎo)教師俞熹沈元06300220027摘要本文介紹了利用核磁共振成像的辦法獲得一般光學(xué)方法難以得到的水-玻璃-油界面、水-玻璃-苯界面影像的實(shí)驗(yàn)工作，并利用得到的圖像擬合計(jì)算了其界面接觸角的值。實(shí)驗(yàn)開創(chuàng)性得將核磁共振斷面成像的辦法應(yīng)用到接觸角影像分析中去，提供了從氣-固-液接觸角測量到液-固-液接觸角測量的有益嘗試。關(guān)鍵詞核磁共振；液-固-液；加權(quán)成像；接觸角；1引言通常透明液體接觸角的測量都是以光源背光后攝取液滴形態(tài)并處理邊緣信息得到的，其方法有簡單且測量不確

2、定度小的有點(diǎn)。然而光學(xué)成像的方法無法測量兩種互不相容的透明液體與固體形成的三相接觸角，于是我們考慮使用自旋密度的圖像信息來代替光學(xué)圖像信息。2實(shí)驗(yàn)原理與基本概念2.1接觸角與接觸角滯后現(xiàn)象接觸角的概念源自氣、液、固三相界面，氣-液界面和固液界面的夾角稱為接觸角（contact1angle）。如圖2-1-1，接觸角θ是三種表面張力γ???、γ???、γ???的相對大小的度量，并在平衡時(shí)成立γ????γ????γ???cosθ。圖2-1-1圖2-1-2當(dāng)上述定義中的氣體換為另一種不相容液體的時(shí)候，就形成了液1-固-

3、液2三相接觸角。如圖2-1-2表示了油水界面上的固體顆粒形成的接觸角，其大小決定了可能形成乳狀液的種類2與穩(wěn)定性并在油氣開采運(yùn)輸方面有著重要的作用。然而由于實(shí)際物體表面粗糙或被污染，接觸角的大小與其形成的方式有關(guān)，這稱為接觸角的滯后現(xiàn)象3。例如，Hg在鋼表面上前進(jìn)時(shí)比后退時(shí)的接觸角154°大。在這里我們約定液體1在固體表面前進(jìn)并取代液體2時(shí)形成的接觸角為前進(jìn)角，反之則為后退角。2.2核磁共振成像技術(shù)與接觸角的測量1南京大學(xué)物理化學(xué)教研室，傅獻(xiàn)彩、沈文霞、姚天揚(yáng)等，物理化學(xué)，pp9172馮叔初、郭揆常等，油氣集輸

4、，pp1933SouhengWu，PolymerInterfaceandAdhesion，pp15不同磁場梯度（Gx，Gy，Gz）下的核磁共振信號可以反映核自旋的密度信息，這是核4磁共振成像的基本原理，其數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是Radon在1917年創(chuàng)立的投影重建理論。我們在實(shí)驗(yàn)中使用了上海紐邁電子科技有限公司生產(chǎn)的NMI20-Analyst脈沖核磁共振成像分析儀。利用其中的自旋回波脈沖序列與反轉(zhuǎn)恢復(fù)脈沖序列可以實(shí)現(xiàn)對小體積液體樣品的自旋密度成像，5自旋-晶格弛豫時(shí)間T?加權(quán)成像，自旋-自旋弛豫時(shí)間T?加權(quán)成像等。借助這些成

5、像序列，我們可以區(qū)分不同種類的核磁共振信號，從而實(shí)現(xiàn)兩種含氫液體在圖像灰度上的分離并獲得接6觸角的清晰影像。3自旋回波序列與水油界面3.1實(shí)驗(yàn)設(shè)置注意到水和油的質(zhì)子密度有較大的差別，我們選擇了自旋回波序列來對水-玻璃-油的界面進(jìn)行質(zhì)子密度成像。如圖3-1-1中，將玻璃試管與玻璃片洗凈后高溫烘干，用移液槍將葵花籽油滴入玻璃試管的底部再使水沿著玻璃試管均勻淌下（葵花籽油的密度與水相當(dāng)故試管中水可以浮在油層上），于是在試管壁上的三相界面形成了水對于油在玻璃上的前進(jìn)角。再將玻璃片經(jīng)過水相豎直地插入到油層中，玻璃片端的三

6、相界面形成了水對于油在玻璃上的后退角。制備好的樣品如圖3-1-2所示。圖3-1-1圖3-1-2我們闡述自旋回波序列的工作方式，并給出與最后結(jié)果空間分辨率相關(guān)參數(shù)意義的說明。在圖3-1-1中，樣品是放置于均勻主磁場B?中（Gx，Gy，Gz）是人為造成的線性磁場梯度。梯度場施加的時(shí)間與采樣時(shí)間的關(guān)系如圖3-1-3所示。其中的選層梯度Gx使得中延該梯度方向質(zhì)子的Larmor頻率產(chǎn)生差異，于是只有圖3-1-1中深色薄片層的質(zhì)子得以對激勵(lì)脈沖產(chǎn)生響應(yīng)。在相位編碼梯度與頻率編碼梯度的作用下，被激發(fā)片層中質(zhì)子的空間位置通過梯

7、度場與其共振頻率發(fā)生了聯(lián)系。關(guān)于自旋回波序列成像的分析學(xué)原理與圖中各參數(shù)的作用和意7義，請讀者參看相關(guān)著作。如圖3-1-3在我們的實(shí)驗(yàn)中，相位編碼共進(jìn)行Ne次每次編碼時(shí)長為D1，采樣點(diǎn)數(shù)為TD采集頻率為SW，每次編碼一共累加次數(shù)為Ns，成像時(shí)進(jìn)行4Ne?TD步離散Fourier變換。上述參數(shù)是決定所成圖像空間分辨率與信噪比最關(guān)鍵的因素，其取值我們列在表3-1-1中，其中梯度場的大小是用最大值的百分比來表示的。如果設(shè)三個(gè)梯度的最大值均為1Gs/cm，4RadonJ.Ber.，Verh,Saechs,Akad.，W

8、iss.1917,69，pp2625汪紅志、張學(xué)龍、武杰等，核磁共振成像技術(shù)實(shí)驗(yàn)教程，pp1046俎棟林，核磁共振成像學(xué)，pp1167俎棟林，核磁共振成像學(xué)，pp92圖3-1-3表3-1-1則根據(jù)核磁共振成像的數(shù)學(xué)分析可知，得到圖像的空間分辨率為式3-1-1，其中γ為質(zhì)子的旋磁比。????SW?y??z???0.25mm?0.23mm式3-1-1??G?D??G?TD為了得到所成圖像的