一种粗糙度与亲疏水性关系的直观展示系统及方法

摘要

本公开提供了一种粗糙度与亲疏水性关系的直观展示系统及方法，所述系统包括展示箱体和观察仪器，所述展示箱体包括底座和试片架，所述底座上固定有支架，所述试片架通过旋转轴与所述支架连接，所述旋转轴设置有用于调节试片架的倾斜角度的锁紧螺丝；所述系统通过设置不同的生物材料能够直观的展示粗糙度与亲疏水性间的关系，根据水滴在不同生物材料上展示的形态和下落的速度，方便理解亲水和疏水的概念，了解不同材料的亲水或疏水的性能。

说明书

技术领域

本公开属于教学展示技术领域，尤其涉及一种粗糙度与亲疏水性关系的直观展示系统及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

生活中我们常看到这一现象，滴到荷叶表面的水滴会近似呈现球体的形状，水滴在荷叶表面完全不会浸润，这是因为荷叶表面覆盖的天然超疏水薄膜，使得水滴聚集成股，顺势流下，因此呈现球体的形状。由此现象我们会联想到，荷叶表面的这种性质能不能更加深入的探究然后应用到现实生活中去，基于此原理产生出超疏水材料，超疏水材料具有清洁、防污、防粘附等优越的特性。

但是发明人发现，虽然现实生活中有很多牌子的衣服已经应用到了荷叶的这种表面自清洁性能，由于超疏水材料原理的理论性和专业性，其中的原理并不为人所知，且难以单纯用语言进行描述，且现有技术中并未存在直观的实验仪器来探究不同材料的表面结构与生物亲疏水性的关系，对于生物材料和亲水性疏水性方面的实验系统和科普演示系统是空白的，对于这一方面的教育也是空白的。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提供了一种粗糙度与亲疏水性关系的直观展示系统及方法，所述方案能够直观的展示粗糙度与亲疏水性间的关系，同时根据水滴在不同生物材料上展示的形态和下落的速度，方便理解亲水和疏水的概念，了解不同材料的亲水或疏水的性能。

根据本公开实施例的第一个方面，提供了一种粗糙度与亲疏水性关系的直观展示系统，包括展示箱体和观察仪器，所述展示箱体包括底座和试片架，所述底座上固定有支架，所述试片架通过旋转轴与所述支架连接，所述旋转轴设置有用于调节试片架的倾斜角度的锁紧螺丝；所述展示箱体上方设置有滴管孔。

进一步的，所述展示箱体还设置有可拆卸的透明外壳，所述透明外壳顶部开设有滴管孔，所述滴管孔设置于所述试片架试片固定区域的正上方，且所述滴管孔的尺寸与滴管的外径相匹配。

进一步的，所述试片架上设置有若干试片板，所述试片板通过固定螺丝固定于所述试片架上。

进一步的，所述试片架的旋转轴通过锁紧螺丝进行松紧控制，利用旋转轴实现任意倾斜角度的控制。

进一步的，所述底座还设置有水槽，所述水槽安装在所述试片架倾斜方向一侧，用于承接试片板留下的剩余液体。

根据本公开实施例的第二个方面，提供了一种粗糙度与亲疏水性关系的直观展示方法，包括：

拆除透明外壳，将设置有待测试材料的试片板固定于试片架上；

调节试片架到预设角度，通过锁紧螺丝进行固定；

安装所述透明外壳，通过透明外壳顶部的滴管孔，对所述试片板进行滴水操作；

利用观察仪器观察水滴在设置不同材料的试片板上的形状变化。

进一步的，所述滴管孔的尺寸与滴管的外径相匹配，通过所述滴管孔可以有效实现滴管的固定。

进一步的，由于所述试片架在测试过程中需要调节一定角度，为了避免所述水槽溢出，所述水槽设置为可拆卸的。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

(1)本公开所述系统能够直观的观察粗糙度与亲水性之间的关系，通过所述系统中观测仪器能够使操作者更加直观的观察水滴在材料表面的形态；利用放大镜观察水滴在材料表面的形状，利用显微镜展示材料表面的微观结构，通过放大镜与显微镜的配合，能够直观地展示出材料的粗糙度与亲疏水性的关系。

(2)本公开所述系统的试片架可以同时设置若干试片板，采用若干粗糙度依次增大的材料，能够以粗糙度梯度展示水滴形状梯度，有利于分析粗糙度与材料亲水与疏水的关系；同时所述试片架的倾斜角可任意调节，能够直观的观察不同的倾斜角度，水滴的形状，从而得出倾斜角度与材料亲水性疏水性的关系。

(3)本公开所述系统采用可拆解设置，能够更换不同的测试材料，有效的保证了材料多样化，在材料选材方面，立足于生活，避免了单一合成材料的局限，同时选用了大自然的材料，芭蕉叶和荷叶，将自然材料与人工合成材料结合分析，实验结果的准确性更高。

(4)本公开所述系统结构简单、操作简便，不需要特殊的专业知识就能够直观的探究自然材料和生物材料的粗糙度与亲疏水性的关系。

本公开附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本公开的实践了解到。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开实施例一中所述系统中透明试验箱的正视图；

图2为本公开实施例一中所述系统中透明试验箱调节试片架使用过程中倾斜程度后的正视图；

图3为本公开实施例一中所述系统中中透明试验箱的侧视图；

图4为本公开实施例一中所述系统中透明试验箱调节试片架使用过程中倾斜程度后的侧视图；

图5为本公开实施例一中所述系统的配件示意图；

图6为本公开实施例一中所述的润湿程度示意图；

其中，1、底座，2、透明外壳，3、滴管孔，4、水槽，5、支架，6、旋转轴，7、锁紧螺母，8、试片架，9、试片板，10、固定螺丝，11、试片固定的测试材料，12、滴管，13、展示箱体、14、显微镜，15、放大镜，16、滴管，17、测试材料。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本公开做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。术语解释：

亲水性：亲水性“英文释义：hydrophilic property；hydrophilicity，指带有极性基团的分子，对水有较大的亲和能力，可以吸引水分子，或易溶解于水。

疏水性：疏水性分子偏向于非极性，并因此较会溶解在中性和非极性溶液(如有机溶剂)。疏水性分子在水里通常会聚成一团，而水在疏水性溶液的表面时则会形成一个很大的接触角而成水滴状。

如图6所示：

1)当θc＝0，完全润湿，亲水性；

2)当θc﹤90°，部分润湿或润湿，亲水；

3)当θc＝90°，是润湿与否的分界线；

4)当θc﹥90°，不润湿，疏水性；

5)当θc＝180°，完全不润湿，完全疏水。

实施例一：

本实施例的目的是提供一种粗糙度与亲疏水性关系的直观展示系统。

如图1至图4所示，一种粗糙度与亲疏水性关系的直观展示系统，包括展示箱体和观察仪器，所述展示箱体包括底座1、透明外壳2、水槽4、支架5、试片架8；所述观察仪器主要有放大镜和显微镜；所述底座1上固定有支架5，所述试片架5通过旋转轴6与所述支架5相连，并通过锁紧螺母7进行松紧调节，通过锁紧螺母7可任意调节试片架8的倾斜角度；装有不同测试材料11的试片板9通过试片固定螺丝10安装在试片架8上，并可拆卸；所述底座1上设置有可拆卸的水槽4和透明外壳2，所述水槽4安装在所述试片架倾斜方向一侧，用于承接试片板留下的剩余液体；可拆卸的原因是便于更换测试材料或倾倒水槽中液体。

其中，所述透明外壳2上开有滴管孔3，分别置于试片板9固定的测试材料11的正上方，测试过程中滴管12可以通过滴管孔3向试片固定的测试材料11滴加测试液体；此处滴管孔的设置能够一方面为了方便滴管向材料滴水，另一方面，通过设置所述滴管孔的尺寸与滴管的外径相匹配，所述滴管口能够对所述滴管起到一定的夹持固定的作用，保证了的滴水位置以及滴水数量的精确度。

进一步的，所述透明外壳上滴管口的数量与试片架上的试片板数量一致，在本实施例中都设置为4个，如图5所示，所述展示箱体内设置有可任意调节倾斜角度且设置有不同材料的试片板，通过所述滴管向四种材料上滴清水；通过放大镜15放大观察水滴在材料上呈现的形态，让实验现象更加直观；通过预先制作测试材料的装片，将其放置于显微镜的载物台上，利用显微镜14来观察材料的内部结构，通过所述系统的整体配合，能够准确分析材料的亲水与疏水性能与材料本身的内部结构的关系。所述水槽用于及时排除实验后所产生的废水。本实施例中所述试片板固定的测试材料11为玻璃、荷叶、芭蕉叶、砂纸，所述材料装片上的测试材料17包括荷叶装片、芭蕉叶装片和砂纸装片。

进一步的，本实施例通过具体的试验展示本系统的工作原理及具体的操作方法：

(1)通过展示箱体上方的滴管分别向这四种材料上滴一滴清水，可以观察到水滴在玻璃表面逐渐散开并附着在玻璃片上，形成一层薄层。这是由于水与玻璃接触面上存在着一层附着层，附着层内的分子既受到来自固体分子的吸引，也受到来自液体内部分子的吸引，由于附着层内的分子比液体内部分子更密，分子间距离小于平衡位置的距离，分子力表现为斥力，附着层的分子就会向外扩散，所以水滴就会在玻璃片上展开，此现象又称为浸润。带有极性基团的分子，对水有大的亲和能力，可以吸引水分子，或溶解于水，这类分子形成的固体材料的表面，易被水所润湿，具有这种特性都是物质的亲水性，玻璃就属于亲水性材料。

水滴在芭蕉叶表面成一个半球状，我们知道芭蕉叶的粗糙度是介于玻璃和荷叶之间，不是均匀粗糙，而是成条纹式的纹路，这种略微的粗糙度使它的亲水性能介于玻璃和荷叶之间。

水滴在荷叶表面呈近似球状。我们可以明显的看出水滴与玻璃表面的接触角为锐角，而与荷叶表面的接触角为钝角。由此我们可以得出从玻璃到芭蕉叶到荷叶，这三种材料表面的粗糙度逐渐增大，水滴与材料表面所成的接触角也在不停的增大，这也就说明材料越粗糙，水滴所受到的表面张力也就越大。像一些非极性分子在水中就会聚成一团，而水在非极性分子形成的固体材料表面则会形成一个很大的接触角，宏观上就是材料的疏水性，荷叶就属于超疏水材料。

水滴在比荷叶更加粗糙的砂纸，仔细观察可以看到水滴已经渗到砂纸里面去了，这说明砂纸的疏水性并不好。那我们可以下一个结论，只有适度的或是细微结构上的粗糙度才能够带来非常好的疏水性能，而并非直观上的越粗糙越好。

(2)将试片架倾斜再观察，可以看到仍有部分水留在芭蕉叶和玻璃上，而荷叶表面却很干净，这就是荷叶的自清洁效应。

(3)通过观察显微镜上事先由荷叶表皮细胞制成的玻片发现荷叶表皮细胞分泌的蜡质结晶在电子显微镜下呈现出线状或是毛发状的结构形成微小的凸起，这种凸起是微米级的，在这些微米级的凸起上面又形成一种纳米级的凸起。触摸荷叶时粗糙的感觉，实际上就是由这些微小的凸起产生的他们平均大小约为10微米，而那些更小的凸起，直径只有200个纳米左右。而在这些突起的缝隙中填满了空气，这样就使得再小的水滴也只能在荷叶上跑来跑去，水滴在滚动时也就带走了叶子上的尘土和细菌。

实施例二：

本实施例的目的是提供一种粗糙度与亲疏水性关系的直观展示方法。

一种粗糙度与亲疏水性关系的直观展示方法，包括：

(1)拆除透明外壳，将设置有待测试材料的试片板固定于试片架上；

(2)调节试片架到预设角度，通过锁紧螺丝进行固定；

(3)安装所述透明外壳，通过透明外壳顶部的滴管孔，对所述试片板进行滴水操作；

(4)利用观察仪器(主要有放大镜和显微镜)观察水滴在设置不同材料的试片板上的形状变化。

进一步的，所述滴管孔的尺寸与滴管的外径相匹配，通过所述滴管孔可以有效实现滴管的固定。

进一步的，由于所述试片架在测试过程中需要调节一定角度，为了避免所述水槽溢出，所述水槽设置为可拆卸的。

如图5所示，固定好试片架的倾斜角度，将滴管吸水，通过透明外壳2上方的滴管孔3，分别在四种材料上滴一滴清水；用放大镜15观察四种材料上水滴形状的，调节试片架的倾斜角度，重复步骤(2)，再次用放大镜观察四种材料水滴的形状变化。重复多次试验；用显微镜观察荷叶和芭蕉叶装片，直观观察荷叶和芭蕉叶的表面结构。

所述步骤(3)中，要求每种材料上所滴的水滴量大致相同，保证实验变量的单一；特别的在调节试片架的角度时需要保证角度缓慢倾斜。

一方面，本公开所述方案具有一定的直观性和科学性，通过放大镜使得操作者能够更加直观的观察到水滴在材料表面的形态，采用四种粗糙度依次增大的材料，分析粗糙度与材料亲水与疏水的关系；调节木板的倾斜角，直观的观察不同的倾斜角度，水滴的形状，从而得出倾斜角度与材料亲水性疏水性的关系。通过显微镜观察荷叶和芭蕉叶表面微观结构，总结材料表面的微观结构与材料亲水性和疏水性的关系；另一方面，可以适应不同材料的观测，材料选择的多样化，在材料选材方面，立足于生活，避免了单一合成材料的局限，同时选用了大自然的材料，芭蕉叶和荷叶；将自然材料与人工合成材料结合分析，实验结果的准确性更高；所述系统的结构简单，操作简便，方便用户直观的探究自然材料和生物材料的亲水与疏水性。

上述实施例提供的一种粗糙度与亲疏水性关系的直观展示系统及方法完全可以实现，具有广阔的应用前景。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。