低阶煤粉润湿接触角和/或毛细管常数测量的制样方法与流程

1.本发明涉及粉体材料的润湿接触角和/或毛细管常数测量技术领域，特别涉及低阶煤粉润湿接触角和/或毛细管常数测量的制样方法以及测量方法。


背景技术：

2.2021年bp世界能源统计年鉴显示，煤炭占我国能源消费比例为57％，煤炭在我国能源结构中仍占主要地位。低阶煤煤质与接触角分析研究，可为低阶煤加工、洗选、浮选应用提供理论指导，提高燃煤效率，降低能源浪费及污染物排放量。了解低阶煤表面亲/疏水性质可以研究水煤浆成浆机理。
3.接触角测试方法中，应用washburn公式，粉体毛细管上升法测定接触角精度极高。传统制样方法根据粉体装填高度确认装载量，而对于低阶煤粉来说，其煤阶、灰含量的不同，导致样品的堆密度、压缩性有很大差异，从而导致填充样品管的煤粉毛细管常数无法统一。
4.文献cn101398365中公开了一种测量粉体材料润湿接触角的方法，包括将粉体材料装入下端用微孔板封闭的管状容器中，并将粉体材料压紧；将管状容器垂直放置，使其下端与液体接触，使液体浸润部分粉体层，测定液体浸润粉体层的高度与时间；根据公式h2/t＝crγ1cosθ/2η计算所述粉体材料在所述液体中的润湿接触角。
5.文献《煤表面热力学特性的washburn动态法测试》(煤炭学报)介绍了煤粉润湿过程及表面自由能成分的测定，具体为准确称取2.00g各个密度级煤粉，装入kruss张力仪样品杯内，样品杯的下端用滤纸密闭，定容压缩到样品管的一定高度，压紧样品过程需要严格控制样品压实高度，以使充填床的体积因子尽量一致，保证试验结果的准确性和重现性。
6.文献《基于毛细渗透原理的铁矿粉接触角测量分析》(山东化工)介绍了一种使用液体在毛细管中渗透速率的washburn方程对铁矿粉进行接触角测定，在保证料柱装料高度、粒度组成和料柱孔隙率一致的条件下分别用环己烷和水对20种铁矿粉进行测试。为保证各个料柱的结构参数相等，对于每个测试料柱要选择相同的原料粒度组成、控制相同的装料高度、保证相等的孔隙率。通过筛分将20种铁矿粉的粒度控制在120～240目范围内，根据每种铁矿粉的真密度值确定其装料质量，实验中对于每个测试料柱其装料质量与原料真密度比值定为1，以此来保证料柱具有相同的高度和孔隙率，实验采用比重瓶法测量铁矿粉的真密度。
7.综上所述，针对粉体采用washburn法测样品接触角的方法中，均以固定压缩高度为制样条件来保证填充床的毛细管常数重复性。对于低阶煤粉堆积密度、压缩性的差异，尚未有研究确切的制样方法，从而无法依靠填充高度确保不同煤粉毛细管常数的可比性，因此建立一种适用于低阶煤粉接触角的制样方法极为必要。


技术实现要素：

8.有鉴于此，本发明提供一种测量低阶煤粉润湿接触角和/或毛细管常数的制样方
法，采用该制样方法，有利于提高低阶煤粉毛细管常数和润湿接触角测量的重复性和再现性。
9.本发明一方面提供一种低阶煤粉润湿接触角和/或毛细管常数测量的制样方法，包括如下步骤：
10.获取煤粉，优选所述煤粉的粒度小于0.2mm；
11.准备测量管，所述测量管配有用于压紧容纳于所述测量管内的煤粉的煤粉压紧机构；
12.用滤纸封住所述测量管的底部开口，在所述测量管内装入所述煤粉，向所述煤粉压紧机构施加预设扭矩以压紧所述测量管内的煤粉。
13.一些实施方式中，所述测量管包括用于盖住所述测量管的顶部开口的顶盖，所述煤粉压紧机构包括连杆和压紧件；
14.所述顶盖设有安装孔，所述连杆的表面设有螺纹，所述连杆穿过所述安装孔并与顶盖螺纹连接，且所述连杆能相对于所述安装孔沿着螺纹上下移动；
15.所述压紧件设于所述连杆的一端；
16.当需要压紧所述测量管内的煤粉时，将所述顶盖盖住所述测量管的顶部开口，并使所述压紧件位于所述测量管的内腔中，向所述连杆施加预设扭矩，使所述压紧件随所述连杆移动并在所述预设扭矩条件下压紧所述煤粉。
17.一些实施方式中，所述连杆设有能与扭矩扳手适配的连接部，通过在所述连接部上配装所述扭矩扳手以施加所述预设扭矩。
18.一些实施方式中，所述压紧件为活塞。
19.一些实施方式中，所述预设扭矩为0.1nm-10nm，优选0.1nm～6nm。
20.一些实施方式中，在压紧所述测量管内的煤粉之前，在所述粉煤上表面铺设滤纸；
21.和/或，在压紧所述测量管内的煤粉之前，在所述测量管的底部垫上支撑垫以支撑所述封住所述测量管的底部开口的滤纸；
22.和/或，所述测量管设有与所述测量管的底部可拆卸连接的底托，用于托住所述封住所述测量管的底部开口的滤纸，以使该滤纸保持封住测量管的底部开口的状态。
23.本发明还提供一种测量低阶煤粉润湿接触角和/或毛细管常数的方法，采用上文所述的制样方法制备测试样品。
24.本发明还提供一种测量低阶煤粉润湿接触角的方法，包括如下步骤：
25.1)按照上文所述的制样方法制备测试样品；
26.2)在表面张力仪上采用毛细管上升法测试得到所述低阶煤粉的润湿接触角。
27.一些实施方式中，所述步骤2)包括如下步骤2.1)、2.2)：
28.2.1)先用对所述测试样品的润湿接触角为0的液体作为探针液体进行测试，获取液体在测量管内的不同流动时间t时测量管内的液体质量m并绘制m2与t之间的曲线，对该曲线的线性区进行线性拟合得到线性方程的斜率，将该斜率作为如下公式(1)中m2/t的取值，并将所述探针液体的密度、粘度和表面张力代入如下公式(1)中，计算得到所述毛细管常数c：
29.30.式(1)中，t＝液体在测量管内的流动时间，s；m＝时间t时测量管内的液体质量，g；σ＝液体表面张力，mn/m；c＝粉末的毛细管常数，g/cm5；ρ＝液体密度，g/cm3；θ＝润湿接触角，
°
；η＝液体粘度，mpa
·
s；
31.2.2)用目标液体进行测试，获取液体在测量管内的不同流动时间t时测量管内的液体质量m并绘制m2与t之间的曲线，对该曲线的线性区进行线性拟合得到线性方程的斜率，将该斜率作为公式(1)中m2/t的取值，并将所述目标液体的密度、粘度、表面张力和步骤2.1)中得到的所述毛细管常数代入公式(1)中，计算得到所述目标液体对所述测试样品的润湿接触角。
32.步骤2.1)、2.2)中，当所述m2与t之间的曲线存在多个线性区时，取斜率较大的线性区进行拟合得到线性方程的斜率，并将该斜率作为公式(1)中m2/t的取值。
33.一些实施方式中，用表面张力仪进行测量时，设置探测速度为6mm/min～10mm/min，探测灵敏度0.005g～0.010g，浸没深度为1mm～2mm。
34.本发明提供的技术方案具有如下有益效果：
35.采用本发明的制样方法，有利于保证低阶煤粉充填床的均匀性，提高低阶煤粉毛细管常数和润湿接触角测量的重复性和再现性。
附图说明
36.图1为实施例1中步骤7.1中获取的m2与t的曲线。
37.图2为实施例1中步骤7.2中用烟煤2获取的m2与t的曲线。
38.图3为一种实施方式中测量管制样示意图。
39.图4为一种实施方式中底托的俯视示意图。
40.图5为一种实施方式中在表面张力仪上进行测量的简化示意图。
具体实施方式
41.为了便于理解本发明，下面将结合实施例对本发明作进一步的说明。应当理解，下述实施例仅是为了更好的理解本发明，并不意味着本发明仅局限于以下实施例。
42.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本发明所属技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
43.在本说明书中提到或者可能提到的上、下、左、右、前、后、正面、背面、顶部、底部等方位用语是相对于各附图中所示的构造进行定义的，它们是相对的概念，因此有可能会根据其所处不同位置、不同使用状态而进行相应地变化。所以，也不应当将这些或者其他的方位用语解释为限制性用语。
44.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
45.在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
46.实施例中未注明具体实验步骤或条件之处，可按照本技术领域中相应的常规实验步骤的操作或条件进行即可。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
47.本发明提供的低阶煤粉润湿接触角和/或毛细管常数测量的制样方法，主要包括如下步骤：
48.获取煤粉；较佳的，煤粉的粒度小于0.2mm，可以通过将煤粉过0.2mm筛获得；
49.准备测量管1，该测量管1配有用于压紧容纳于测量管内的煤粉12的煤粉压紧机构2(参见图2)；
50.用滤纸9封住测量管1的底部开口，在测量管1内装入煤粉12，向煤粉压紧机构2施加预设扭矩以压紧测量管内的煤粉。
51.一些实施方式中，粒度小于0.2mm的煤粉通过将煤粉过筛获得，例如将煤粉过0.2mm筛，获得空气干燥基煤样。采用该粒度要求的煤粉，有利于保证样品均匀性，同时可保证分析过程中取样代表性。一些实施方式中，可参照gb/t474-2008煤样的制样方法制备，具体的，对待测煤样进行破碎、混合、缩分和空气干燥，干基灰分小于15wt％，制成粒度小于0.2mm(煤粉全部过0.2mm筛)的空气干燥基分析煤样，充氮气保护防止试样氧化。
52.一些实施方式中，参见图3-4，测量管1包括顶盖8，用于盖住测量管1的顶部开口；煤粉压紧机构2包括连杆4和压紧件5。顶盖8设有安装孔(图中未示出)，用于安装连杆4。连杆4的表面设有螺纹(图中未示出)，连杆4穿过安装孔从而与顶盖8螺纹连接。具体的，在安装孔内壁设有和连杆4表面的螺纹适配的内螺纹。通过旋转连杆4，可以使连杆4沿着螺纹相对于安装孔(或相对于顶盖8)上下移动。压紧件5设于连杆4的一端。连杆4上设有与表面张力仪连接的连接端7，通过该连接端7将测量管1悬挂在表面张力仪上进行测量；具体的，该连接端7和与压紧件5相连接的那端为连杆4的两个相对的末端。当需要压紧测量管1内的煤粉12时，将顶盖8盖在测量管1的顶部开口上，具体的，顶盖8和测量管1可以是螺纹配合。安装于顶盖8的安装孔上的连杆4的一部分伸入测量管1内，具体的，当顶盖8盖在测量管1的顶部开口时，连杆4安装有压紧件5的那端处于伸入测量管1的内腔中的状态，从而使得压紧件5位于测量管1的内腔中；向连杆4施加预设扭矩，使压紧件5随连杆4移动并在预设扭矩条件下压紧测量管1内的煤粉。较佳的，压紧件5可以采用活塞的形式。
53.在一些具体实施方式中，参见图3，连杆4设有能与扭矩扳手3(或称为力矩扳手)适配的连接部6，通过在连接部6上配装扭矩扳手3以施加预设扭矩。具体的，连接部6可以设计为与扭矩扳手3适配的形状。在使用过程中，通过将扭矩扳手3套在连杆4的连接部6上，旋转扭矩扳手3，使得连杆4随之旋转并带动压紧件5压向测量管1内的煤粉12，使得压紧件5在预设扭矩条件下压紧煤粉。
54.在一些较佳实施方式中，预设扭矩具体为0.1nm-10nm，优选0.1nm～6nm，在优选扭矩条件下测量具有更佳的测试结果一致性，重复性和可再现性更佳。一些实施方式中，预设扭矩为0.1nm、0.5nm、1nm、3nm、5nm、6nm、8nm、10nm。扭矩扳手可以采用数显扭矩扳手或其他能按照预设扭矩工作的扭矩扳手。
55.进一步的，在较佳实施方式中，参见图3-4，测量管1还设有用于托住滤纸9以使滤纸9保持封住测量管1的底部开口的状态的底托10。具体的，底托10与测量管1的底部可拆卸连接，底托10底部设有滤纸承托区域14，底托10底部还设有和测量管1的底部开口对应的开
口13，从而使得滤纸9的大部分区域均处于暴露状态。使用时，在底托10底部铺设滤纸9，滤纸9被底托10底部的滤纸承托区域14托住，将底托10安装在测量管1底部时，被底托10托住的滤纸9则封闭测量管1的底部开口。具体的，底托10可以与测量管1的底部螺纹连接；较佳的，滤纸承托区域14为设于底托10的底部的环形承托面。
56.在具体制样过程中，较佳的，在压紧测量管1内的煤粉之前，在煤粉上表面铺设滤纸，防止煤粉尘在制样过程中外溢，导致样品损失。
57.在具体制样过程中，较佳的，参见图3，在压紧测量管内的煤粉之前，在测量管的底部垫上支撑垫11，从而使测量管1底部的滤纸9与支撑垫11贴合，避免在制样过程中，底部的滤纸9被撑破而漏粉。支撑垫11具体可以配置为与测量管1底部的底托10相适配。
58.本发明还提供测量低阶煤粉润湿接触角和/或毛细管常数的方法，该方法采用上文提到的制样方法制备测试样品。采用本发明的制样方法制备测试样品，其通过预设扭矩压紧煤粉，而不是通过粉体装填高度来确认装载量，可以较大程度的减少制备的样品之间堆密度、压缩性的差异，尽可能的保证测量管中煤粉毛细管常数的一致性。较佳的，以0.1nm-10nm的扭矩对充填在测量管内的低阶煤粉进行压紧。采用本发明的制样方法，可以保证低阶煤粉充填床的均匀性，提高低阶煤粉毛细管常数和润湿接触角测量的重复性和再现性。
59.测量低阶煤粉润湿接触角和/或毛细管常数的方法的具体步骤，可以参照本领域的相应方法进行。在进行低阶煤粉润湿接触角和/或毛细管常数测试时，对于平行测试样品，或不同种类样品之间润湿接触角和/或毛细管常数分析研究时，可以按照本发明的制样方法采用固定的预设扭矩进行制样，低阶煤粉充填床的均匀性好，能够提高低阶煤粉毛细管常数和润湿接触角测量的重复性和再现性，利于保证测试结果的可靠性；较佳的，预设扭矩在0.1nm-10nm范围内取值。在一些实施方式中，测量低阶煤粉润湿接触角的方法，主要包括如下步骤：
60.1)按照上文所述的制样方法制备测试样品；
61.2)在表面张力仪上采用毛细管上升法测试得到低阶煤粉的润湿接触角。毛细管上升法为本领域测量润湿接触角的常用方法，对此不作赘述。
62.一些较佳实施方式中，本发明测量低阶煤粉润湿接触角的方法中，步骤2)具体包括如下步骤2.1)、2.2)：
63.2.1)先用对测试样品的润湿接触角为0的液体作为探针液体进行测试，获取液体在测量管内的不同流动时间t时测量管内的液体质量m并绘制m2与t之间的曲线，对该曲线的线性区进行线性拟合得到线性方程的斜率，将该斜率作为如下公式(1)中m2/t的取值，并将探针液体的密度、粘度和表面张力代入如下公式(1)中，计算得到毛细管常数c：
[0064][0065]
式(1)中，t＝液体在测量管内的流动时间，s；m＝时间t时测量管内的液体质量，g；σ＝液体表面张力，mn/m；c＝粉末的毛细管常数，g/cm5；ρ＝液体密度，g/cm3；θ＝润湿接触角，
°
；η＝液体粘度，mpa
·
s；
[0066]
2.2)用目标液体进行测试，获取液体在测量管内的不同流动时间t时测量管内的液体质量m并绘制m2与t之间的曲线，对该曲线的线性区进行线性拟合得到线性方程的斜
率，将该斜率作为公式(1)中m2/t的取值，并将目标液体的密度、粘度、表面张力和步骤2.1)中得到的所述毛细管常数代入公式(1)中，计算得到目标液体对测试样品的润湿接触角。
[0067]
步骤2.1)、2.2)中，当m2与t之间的曲线存在多个线性区时，取斜率较大的线性区进行拟合得到线性方程的斜率，并将该斜率作为公式(1)中m2/t的取值。
[0068]
一些具体实施方式中，用表面张力仪进行测试时，设置探测速度为6mm/min～10mm/min，探测灵敏度0.005g～0.010g，浸没深度为1mm～2mm。
[0069]
表面张力仪例如可以采用但不限于克吕士k100表面张力仪等。
[0070]
上述公式(1)为从poixeuille定律导出的washburn方程。为了确定粉末的毛细管常数c，在步骤2.1)中采用高润湿性(铺展性)的液体(例如正己烷、正庚烷等)进行测量，这类液体对于测试样品的润湿接触角θ为0
°
(即cosθ＝1)，通过在测量过程中获取液体在测量管内的不同流动时间t时测量管内的液体质量m，对m2与t之间曲线的线性区进行线性拟合得到线性方程的斜率，并将探针液体的密度、粘度和表面张力代入如下公式(1)中，从而能够确定毛细管常数c。
[0071]
上述测量过程中，在测量过程中获取液体在测量管内的不同流动时间t时测量管内的液体质量m、对m2与t之间曲线的线性区进行线性拟合得到线性方程的斜率以及涉及到的计算过程均可以通过在具备相应信息采集和数据处理功能的表面张力仪上自动完成，例如市售的配有kruss laboratory deskop软件的克吕士k100表面张力仪或其他具有类似功能的表面张力仪等。
[0072]
下面结合示例对本发明作进一步说明：
[0073]
以下实施例中所用的低阶煤粉涉及褐煤、烟煤，并对不同批次或来源的煤样进行了编号，例如褐煤1、烟煤1、烟煤2、烟煤a等。
[0074]
实施例1(固定扭矩法)
[0075]
本实施例对三种煤样进行毛细管常数和润湿接触角进行测量，所用煤样分别标记为褐煤1、烟煤1、烟煤2。各煤样按照如下步骤制样和测试：
[0076]
1、获取煤粉：参照gb/t 474-2008煤样的制样方法，对待测煤样进行破碎、混合、缩分和空气干燥，干基灰分小于15wt％，制成粒度小于0.2mm(煤粉全部过0.2mm筛)的空气干燥基分析煤样50g，充氮气保护防止试样氧化。
[0077]
2、准备测量管，该测量管配有煤粉压紧机构，测量管1和煤粉压紧机构2的结构示意图参见图3、4所示，其中的压紧件5具体为活塞，测量管1带有顶盖8和底托10。关于测量管和煤粉压紧机构的具体结构的描述参见前文，在此不作赘述。
[0078]
3、在底托10上铺上与测量管同直径的圆形定量滤纸9作为衬底，将底托10固定在测量管1底部，从而使得测量管1的底部开口被滤纸9封住。
[0079]
4、煤粉取样前充分混匀，称取1.5g左右煤粉至测量管中；
[0080]
5、煤粉顶部加盖滤纸片，旋紧测量管的顶盖8，将测量管1放置在支撑垫11上。
[0081]
6、使用数显扭矩扳手并设置扭矩为1nm(即预设扭矩)，将扭矩扳手3卡进连杆4上的连接部6，沿连杆垂直方向旋转扭矩扳手，活塞5压紧煤粉直到扭矩扳手发出蜂鸣声响，此时测量管中煤粉即被以预设扭矩压紧。取下扭矩扳手及移除支撑垫，完成制样。
[0082]
7、毛细管常数和接触角的测定：
[0083]
采用带有kruss laboratory deskop软件的克吕士k100表面张力仪在室温(约20
℃)下进行测定。设置：探测速度6mm/min，探测灵敏度0.005g，最长测试时间600s；浸没深度1mm，设定润湿时间150s，负离子去除周围空气静电。
[0084]
测量过程如下：参见图5，将装载煤粉的测量管1悬挂于表面张力仪测量头夹具上，玻璃杯15内盛有测试所用的液体，运行表面张力仪的测量程序，玻璃杯15以设定的探测速度向上移动，液面接触装载好煤粉的测量管后停止向上移动(达到设定的浸没深度)，表面张力仪配备的高精度力学传感器16检测测量管内填充粉体吸液后质量变化，软件记录相应测量点，可得到进入测量管内液体的质量平方值随时间变化的曲线(m2与t之间的曲线)，拟合线性区测量点为一直线，根据直线斜率进而得到毛细管常数和接触角；步骤2.1)、2.2)中，当m2与t之间的曲线存在多个线性区时，取斜率较大的线性区进行拟合得到线性方程的斜率，并根据该斜率进而得到毛细管常数和接触角。具体步骤如下：
[0085]
7.1、测定低阶煤粉毛细管常数时，以室温下低粘度、低表面张力的正己烷(优级纯)作为探针液体，在仪器配备的玻璃杯内放入至少35ml正己烷。在仪器软件中输入室温下正己烷的密度、粘度、表面张力参数，按照前面提到的测试过程测试，获得m2与t之间的曲线并对线性区线性拟合，得到m2与t之间的线性方程的斜率(该曲线的样式可参见图1)。仪器软件根据公式(1)得到测试样品的毛细管常数c。
[0086]
7.2、测定低阶煤对水的润湿性时，以超纯水(i级)作为目标液体，玻璃杯放入至少35ml纯水。在仪器软件中输入室温下水的密度、粘度、表面张力参数。同时输入步骤7.1中得到的毛细管常数。按照前面提到的测试过程测试，获得m2与t之间的曲线并对线性区线性拟合，得到m2与t之间的线性方程的斜率(该曲线的样式可参见图2，为表1中烟煤2测试得到的曲线)。仪器软件根据公式(1)得到水与测试样品的润湿接触角。
[0087]
每个样品均按照上述相同步骤和参数重复检测三次。
[0088]
测试结果见下表1。
[0089]
表1.不同低阶煤粉毛细管常数、接触角测量结果
[0090][0091]
从表1可见，采用本发明的方法测试三种煤样，毛细管常数极差小于0.4*10-7
g.cm-5
，接触角极差小于2
°
，测试精度高，对褐煤及烟煤均适用。
[0092]
实施例2(扭矩差异比较)
[0093]
参照实施例1的实验步骤进行，不同仅在于，数显扭矩扳手设置的扭矩分别为0nm、0.1nm、1nm、6nm、10nm、20nm，所用煤样均为烟煤a。平行测试三次。
[0094]
测试结果参见下表2。
[0095]
表2.烟煤a毛细管常数、接触角测量结果
[0096][0097]
实验结果分析：
[0098]
c＝r
eff
ε2(πr2)2ꢀꢀꢀ
(2)
[0099]
公式(2)为毛细管常数公式，其中，r
eff
为毛细管有效半径，um；ε为微细颗粒填充床孔隙率，％；r为填充床的半径，mm。由毛细管常数公式可知，c包括毛细管数量和平均半径，同时取决于粉末性质和测试管的性质，由于测试时所用测试管为同一测试管，故毛细管常数大小仅与粉末性质有关。
[0100]
根据不同压紧程度对同一低阶煤粉进行分析，松散堆积(即扭矩为0nm)，和用另外的扭矩条件0.1nm、1nm、6nm、10nm、20nm扭矩压紧煤粉。结果显示(表2)，松散堆积(0nm)时，毛细管常数比低扭矩填充(1nm)时高一个数量级，但是由于颗粒间应力低，无法形成稳定床层，对水无法吸附，无法准确区分不同煤粉亲水性。在低扭矩填充(0.1-10nm)时，可以得到重复性良好的样品测试结果，同时区分不同低阶煤粉间亲水性差异。扭矩增加，毛细管常数降低，扭矩为20n时，毛细管常数降低至低扭矩填充(1nm)时两个数量级，粉体压缩后致密，孔隙极小，导致毛细常数极低4.3297*10-9
g.cm-5
，使用washburn法测与水接触角，粉体床层无法吸附水，拟合直线斜率极低，为0.000641g2/s，软件根据公式计算反余弦函数，arccosθ计算得20.462，而三角函数余弦值值域为-1到1之间，20.462不在三角函数值域内，故不能通过该方法得到接触角，软件显示n/a。
[0101]
按照上述实验，0.1nm为扭矩扳手所调节的最小设置值，设置6nm、10nm，共计三个扭矩测量点。三个扭矩点下测量重复性均较好，接触角三次测试极差均在2
°
以内，故0.1nm～10nm均满足接触角测试重复性要求。对比4个有效扭矩测量点接触角测试均值，结果显示，0.1nm、1nm、6nm、10nm分别对应接触角测试均值68.13
°
、69.62
°
、69.46
°
、71.16
°
，扭矩范围0.1nm～6nm具有更好的一致性。因此，0.1nm～6nm条件下测试重复性和再现性更佳。
[0102]
实施例3(振荡法对比)
[0103]
振荡法测试：所用煤样为烟煤a，与实施例1的不同在于，其中的步骤5至步骤6调整为：将煤粉装入测量管松散堆积后，手持测量管在实验台上振动10次使粉料震荡密实。重复制样平行测试三次。烟煤a的毛细管常数测试结果如下表3所示。
[0104]
表3.烟煤a毛细管常数、接触角测量结果
[0105][0106]
实验结果分析：振荡法对易铺展液体有很好的吸附作用，但是样品与水接触时，堆积松散，颗粒间间隔较大，且振荡本身可导致样品粒度离析，未能形成稳定床层，不能吸附水。接触角结果显示为90
°
，结果异常。
[0107]
实施例4(固定高度填充法对比)
[0108]
固定高度填充法测试：所用煤样为烟煤1，与实施例1的不同在于，步骤6替换为：不用扭矩扳手，不按照预设扭矩进行平行实验测试，而是每次测试进行制样时，旋转连杆使活塞将测量管的煤粉压紧至固定高度(样品装填高度为2cm)。重复试验三次，测试结果见下表4所示。
[0109]
表4.烟煤1毛细管常数测量结果(以固定高度填充样品管)
[0110][0111]
结果显示：同一样品的毛细管常数测量结果差距悬殊，无法保证同一样品的制样平行性。
[0112]
实验结果分析：由于低阶煤粉属于可压缩性粉体，松散堆积样品导致样品管内装载不均匀。不同煤粉在一定压力下的堆密度及压缩比是不同的，如表5所示，褐煤在15kpa下压缩比为22.33％，而两烟煤压缩比也不尽相同，分别为17.50％、13.20％。若依靠填充质量或填充高度，无法保证填充的均匀性，从而造成毛细管常数差异，最终影响接触角测定的重复性及准确性。
[0113]
表5.不同煤阶煤粉堆密度测试结果(麦克ft4粉体流变仪)
[0114]
煤样15n压力下堆密度,g/ml15kpa压力下压缩比,％褐煤17.401922.33烟煤16.422117.50烟煤26.172113.20
[0115]
实施例4(粒度差异)
[0116]
煤样采用烟煤a，选取煤样制粉，缩分成2份。一份按照实施例1步骤1的操作，使其全部通过0.2mm筛得到煤粉；另一份制粉后则未经筛分。其余实验步骤均参照实施例1进行。
[0117]
实验结果见表6。未过筛样品含有较多大于0.2mm颗粒，接触角测试结果较过筛样品大。煤样全部通过0.2mm筛，可保证样品均匀性，同时可保证分析过程中取样代表性。结果显示，过筛后样品均匀，重复性好，三次测试极差为1.01
°
，满足接触角测定重复性要求。
[0118]
表6.烟煤a毛细管常数、接触角测量结果
[0119][0120]
本领域技术人员可以理解，在本说明书的教导之下，可对本发明做出一些修改或调整。这些修改或调整也应当在本发明权利要求所限定的范围之内。

技术特征：
1.一种低阶煤粉润湿接触角和/或毛细管常数测量的制样方法，其特征在于，包括如下步骤：获取煤粉，优选所述煤粉的粒度小于0.2mm；准备测量管，所述测量管配有用于压紧容纳于所述测量管内的煤粉的煤粉压紧机构；用滤纸封住所述测量管的底部开口，在所述测量管内装入所述煤粉，向所述煤粉压紧机构施加预设扭矩以压紧所述测量管内的煤粉。2.根据权利要求1所述的制样方法，其特征在于，所述测量管包括用于盖住所述测量管的顶部开口的顶盖，所述煤粉压紧机构包括连杆和压紧件；所述顶盖设有安装孔，所述连杆的表面设有螺纹，所述连杆穿过所述安装孔并与顶盖螺纹连接，且所述连杆能相对于所述安装孔沿着螺纹上下移动；所述压紧件设于所述连杆的一端；当需要压紧所述测量管内的煤粉时，将所述顶盖盖住所述测量管的顶部开口，并使所述压紧件位于所述测量管的内腔中，向所述连杆施加预设扭矩，使所述压紧件随所述连杆移动并在所述预设扭矩条件下压紧所述煤粉。3.根据权利要求2所述的制样方法，其特征在于，所述连杆设有能与扭矩扳手适配的连接部，通过在所述连接部上配装所述扭矩扳手以施加所述预设扭矩。4.根据权利要求2所述的制样方法，其特征在于，所述压紧件为活塞。5.根据权利要求1-4任一项所述的制样方法，其特征在于，所述预设扭矩为0.1nm-10nm，优选0.1nm～6nm。6.根据权利要求1-4任一项所述的制样方法，其特征在于，在压紧所述测量管内的煤粉之前，在所述煤粉上表面铺设滤纸；和/或，在压紧所述测量管内的煤粉之前，在所述测量管的底部垫上支撑垫以支撑所述封住所述测量管的底部开口的滤纸；和/或，所述测量管设有与所述测量管的底部可拆卸连接的底托，用于托住所述封住所述测量管的底部开口的滤纸，以使该滤纸保持封住测量管的底部开口的状态。7.一种测量低阶煤粉润湿接触角和/或毛细管常数的方法，其特征在于，采用权利要求1-6任一项所述的制样方法制备测试样品。8.一种测量低阶煤粉润湿接触角的方法，其特征在于，包括如下步骤：1)按照权利要求1-6任一项所述的制样方法制备测试样品；2)在表面张力仪上采用毛细管上升法测试得到所述低阶煤粉的润湿接触角。9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤2)包括如下步骤2.1)、2.2)：2.1)先用对所述测试样品的润湿接触角为0的液体作为探针液体进行测试，获取液体在测量管内的不同流动时间t时测量管内的液体质量m并绘制m2与t之间的曲线，对该曲线的线性区进行线性拟合得到线性方程的斜率，将该斜率作为如下公式(1)中m2/t的取值，并将所述探针液体的密度、粘度和表面张力代入如下公式(1)中，计算得到所述毛细管常数c：式(1)中，t＝液体在测量管内的流动时间，s；m＝时间t时测量管内的液体质量，g；σ＝液体表面张力，mn/m；c＝粉末的毛细管常数，g/cm5；ρ＝液体密度，g/cm3；θ＝润湿接触角，
°
；
η＝液体粘度，mpa
·
s；2.2)用目标液体进行测试，获取液体在测量管内的不同流动时间t时测量管内的液体质量m并绘制m2与t之间的曲线，对该曲线的线性区进行线性拟合得到线性方程的斜率，将该斜率作为公式(1)中m2/t的取值，并将所述目标液体的密度、粘度、表面张力和步骤2.1)中得到的所述毛细管常数代入公式(1)中，计算得到所述目标液体对所述测试样品的润湿接触角。10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤2.1)、2.2)中，当所述m2与t之间的曲线存在多个线性区时，取斜率较大的线性区进行拟合得到线性方程的斜率，并将该斜率作为公式(1)中m2/t的取值。11.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，用表面张力仪进行测量时，设置探测速度为6mm/min～10mm/min，探测灵敏度0.005g～0.010g，浸没深度为1mm～2mm。

技术总结
本发明提供一种测量低阶煤粉润湿接触角和/或毛细管常数的制样方法，采用该制样方法，有利于提高低阶煤粉毛细管常数和润湿接触角测量的重复性和再现性。所述制样方法，包括如下步骤：获取煤粉，优选所述煤粉的粒度小于0.2mm；准备测量管，所述测量管配有用于压紧容纳于所述测量管内的煤粉的煤粉压紧机构；用滤纸封住所述测量管的底部开口，在所述测量管内装入所述煤粉，向所述煤粉压紧机构施加预设扭矩以压紧所述测量管内的煤粉。矩以压紧所述测量管内的煤粉。矩以压紧所述测量管内的煤粉。


技术研发人员：孔德婷 刘聪云 马琳鸽 李永龙 赵利军
受保护的技术使用者：国家能源投资集团有限责任公司 北京低碳清洁能源研究院
技术研发日：2022.04.07
技术公布日：2023/9/22