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。
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）根据测试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匀速相互接触并分离；
（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；
（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1～40μm/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；
a）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，均匀地镀上厚度为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；
b）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，均匀地镀上厚度为n的高分子材料薄膜C；
所述高分子材料薄膜C的厚度h>>δ>>n，a/δ>1/2。
2.根据权利要求1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。
3.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半径a。
4.根据权利要求1或3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：
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E ；当a<
当获得弹性模量E 后，通过公式组Ⅰ或Ⅱ计算得到能量释放速率G：
5.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。
6.根据权利要求1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。
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
[0001] 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
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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匀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
[0005] 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：
[0006] 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：
[0007] （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；
[0008] （2）所述测试样品的水平基底和所述探头以匀速相互接触并分离；
[0009] （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；
[0010] （4）在软件的控制下步骤(2)可选择多次重复；
[0011] （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。
[0012] 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1～40μm/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。
[0013] 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；
[0014] 所述球形或球冠形状的半径为R，球面可根据需要均匀地镀上高分子材料薄膜B且膜厚为m。
[0015] 所述高分子材料薄膜B为高分子薄膜材料；
[0016] 所述高分子材料薄膜B的厚度h >> δ >> m，a/δ> 1/2；
[0017] 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，可根据需要均匀的镀上高分子材料薄膜C且膜厚为n；
[0018] 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10mmx10mm的正方形小片后使用；
[0019] 所述高分子薄膜C的厚度h >> δ >> n，a/δ> 1/2；
[0020] 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。
[0021] 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。
[0022] 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：
[0023] (1)计算弹性模量E*
[0024] 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E*；当a<
[0025] ；
[0026] (2)计算能量释放速率G
[0027] 能量释放速率G反映被测物体表面粘附性能大小，G越大物体表面粘性越小，反之G越小物体表面粘性越大；*
[0028] 当获得弹性模量E 后，可以通过公式组Ⅰ或Ⅱ计算得到能量释放速率G：
[0029] 。
[0030] 所述软物质材料是高分子弹性体、凝胶或薄膜。
[0031] 所述高分子材料薄膜B和C可以根据测试要求选择不同的材料。如需要测量样品与指定高分子材料表面的粘附能，则选择该种高分子材料；测量样品与疏水表面的粘附能，一般选用聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯等；测量样品与亲水表面的粘附能，一般选用聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚酰胺等。
[0032] 和现有技术相比，本发明具有以下优点：适用的测试材料广泛，包括高分子弹性体、凝胶、薄膜等软物质材料；能同时对软物质材料的弹性模量和粘附能进行表征；测量精度高；稳定性和重复性好；并且测试时需要的样品体积小。
附图说明
[0033] 图1是本发明的粘弹性测量实验中的各部件的几何参数示意图；其中，（a）为弹性探头的几何尺寸示意图；（b）为实施例1中刚性探头示意图；
[0034] 图2是实施例1中测得凝胶的力—位移曲线和对应的显微镜图像；其中纵坐标是作用力P，横坐标为相对位移δ；
[0035] 图3是实施例2中测得凝胶的三次循环力—位移曲线。
具体实施方式
[0036] 下面通过实施例对本发明进行具体描述。有必要在此指出的是，以下实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的专业技术人员根据本发明的内容作出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
[0037] 实施例1 凝胶的力—位移曲线的测量
[0038] 图1（a）为弹性探头的几何尺寸示意图，球面半径为R，底面半径为r，高为h，以及固定在刚性托盘上的弹性探头与刚性基底接触，接触面半径为a，并且在垂直于基底方向产生形变δ；（b）为中刚性探头示意图，为刚性探头下压附着在刚性基底上的弹性薄膜，垂直基底方向下压量为δ。如图1（b）所示，厚h为4mm半径为10mm的圆形自制凝胶用502胶水粘于载玻片上，载玻片在步进电机的控制下以10微米/秒的速度下压半径R为3±0.001mm的不锈钢珠，下压距离δ为50微米，然后以相同速度离开钢珠并直至完全脱离。图2为凝胶的力—位移曲线和其中5个瞬时对应的显微镜图像，5幅显微镜图像中的黑色圆形区域为钢珠与凝胶的接触面，通过测量其半径a大小并结合对应的压力值P，当弹性模量E*已知时可利用公式组Ⅰ定量计算凝胶的能量释放速率G，本实例中因没有测量a值大小，故不作定量计算。结合图2可以对材料的粘弹性做出定性和定量的分析。图2曲线横坐标为钢珠的位移量δ，纵坐标为钢珠受到的压力与拉力，可根据拉力区的面积判断材料的粘性大小，在δ相同时面积越大材料粘性越大。
[0039] 实施例2 凝胶的三次循环力—位移曲线的测量
[0040] 同样如图1（b）所示，厚h为4mm半径为10mm的圆形自制凝胶用502胶水粘于载玻片上，在步进电机的控制下以10微米/秒的速度下压半径R为3±0.001mm的不锈钢珠，下压距离δ为50微米，然后以相同速度离开钢珠并直至完全脱离，并重复以上过程得到三次循环测量的结果。图3为凝胶的循环力—位移曲线。如图中所示，O1,O2和O3分别为1,2,3次测试中的拉力0点，从三点的位置可以分析出材料的粘性形变大小，O2与O1有较大距离，说明在第2次测试中材料发生了明显的粘性形变,O3与O2位置相差不大，说明材料在第3次测试中基本没有发生粘性形变。
