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接觸角測量儀的基本原理與應(yīng)用

來源：測試GO 時(shí)間：2021-01-21 21:36:11 瀏覽：16296次

1引言

接觸角是一項(xiàng)表征液體在固體表面潤濕的重要參數(shù)，由其可以了解液體在一定固體表面的潤濕程度。所謂接觸角是指在氣、液、固三相交點(diǎn)處所作的氣-液界面的切線，此切線在液體一方的與固-液交界線之間的夾角θ。而接觸角測量儀，主要用于測量液體與固體之間的接觸角，即液體對固體的浸潤性。該儀器能測量各種液體對各種材料的接觸角，對石油、印染、醫(yī)藥等行業(yè)的科研生產(chǎn)有非常重要的作用。

2接觸角的測定與計(jì)算方法

2.1接觸角的測量方法

測量接觸角的方法有多種，主要分為以下兩類：一類是直接法，即直接測量接觸角的大小，其精度由測角器所決定；另一類是間接法，即通過其它物理量（長度、質(zhì)量）的測定以及該物理量與接觸角之間的定量關(guān)系來計(jì)算出接觸角的大小，其精度由測定長度或質(zhì)量的儀器精度以及它們間的定量關(guān)系式的準(zhǔn)確度共同決定。相關(guān)介紹如下：

a)直接測量法：作為廣泛使用的方法，該法將液滴直接滴在固體表面上，直接或先拍下照片后再用量角器定接觸角。若固體是板條則可采用斜板法測定：將試樣板浸入液體中，緩慢使試樣板傾斜至板面一邊的液體呈水平，插入液體部分的板面與液面所成的角即為接觸角。

b)長度測量法：直接法測量時(shí)往往要先確定切線的位置，較難做到準(zhǔn)確。而長度測量法則是將液體滴在固體表面上并拍下照片，測定液滴與平面接觸面的半徑和其高度。該法有利于避免直接測量法存在的弊處。

c)重量測量法：對于固體粉末，先將其壓制成一多孔塞，測定將液體壓入（不潤濕固體粉末）或者壓出（潤濕固體粉末）時(shí)所需的壓力，則可計(jì)算出來。

2.2接觸角的計(jì)算方法

目前計(jì)算接觸角的方法主要有以下四類：

a)切線法：用量角器測量，精度不準(zhǔn)，誤差大，為最傳統(tǒng)的方法；

b)寬高法：又稱θ/2法或圓環(huán)法，適用于測量小于20?的接觸角；

c)橢圓法：適用于不同角度的觸角測量；

d)L-Y法：即Laplace/Young法，適用于測量大于120?的接觸角。

3接觸角測量儀簡介

作為測量接觸角的儀器，接觸角測量儀的應(yīng)用相對廣泛，接下來對其進(jìn)行簡要介紹：

3.1接觸角測量儀的組成

接觸角測量儀主要由光源、樣品臺(tái)、鏡頭、圖像采集系統(tǒng)和進(jìn)樣系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1

3.2接觸角測量儀的操作流程

接觸角的測試過程主要包括以下步驟：a)放置樣品；b)電動(dòng)注射液滴；c)上升樣品平臺(tái)接液滴；d)固體樣品接觸到液滴；e)下降樣品平臺(tái)；f)拍照；g)分析獲得結(jié)果。

4接觸角測量儀的工作原理

恒溫恒壓下，用接觸角測量儀本身附帶的注射器針頭將一滴待測液體滴在固體基質(zhì)上。液滴會(huì)貼附在基質(zhì)表面上，其間的相關(guān)作用力如圖2所示：固體與氣體之間的表面張力記為γSV，液體與氣體之間的表面張力為γLV，固體與液體之間的表面張力為γSL。按照接觸角（θ）的定義，其可以根據(jù)楊氏公式γSV-γSL=γLVcosθ求出大小量值。

4.1接觸角測量儀的工作原理

注其中，當(dāng)θ=0?時(shí)，為完全潤濕狀態(tài)；θ＜90?，這時(shí)產(chǎn)生粘附潤濕；θ＞90?，為不潤濕狀態(tài)；θ=180?時(shí)，則為完全不潤濕狀態(tài)；因此接觸角越小，潤濕性越好。

圖2

接觸角測量儀工作時(shí)，當(dāng)液體與固體基底接觸時(shí)，會(huì)投射出一個(gè)陰影，此時(shí)投影屏幕千分計(jì)會(huì)使用光學(xué)放大作用將影像投射到屏幕上以進(jìn)行測量，如圖3所示。這個(gè)投影屏幕千分計(jì)帶有一個(gè)可調(diào)式標(biāo)本夾，能夠在垂直方向或軸向上對準(zhǔn)圖像；通過滑動(dòng)屏幕可在水平方向上調(diào)整圖像；鎖定旋鈕可將投影液滴固定在位。

圖3

4.2接觸角測量儀的測量原理

當(dāng)固體板插入液體時(shí)，只有板面與液體的夾角恰好為接觸角時(shí)液面才直平伸至三相交界處，不出現(xiàn)彎曲；否則，液面將出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象。因此，改變板的插入角度直至液面三相交界處附近無彎曲，此時(shí)板面與液面的夾角即為接觸角。

5接觸角測量儀的應(yīng)用

5.1接觸角測量儀的作用

簡單來說，接觸角測量儀解決了液-固-氣三相之間的所有問題，

簡要概括如下：

a)液-固接觸角（外相為氣體）；

b)固體表面自由能（固-氣兩相）；

c)懸滴法測液體表面張力（液-氣兩相）；

d)加選配件可測液-液-固三相接觸角（外相為液體）；

e)加選配件可測液-液界面張力。

5.2接觸角測量儀的應(yīng)用

接觸角測量儀主要用于研究液體對固體的浸潤性。隨著技術(shù)的發(fā)展，接觸角測量儀產(chǎn)品類型也逐漸多樣化，產(chǎn)品技術(shù)也更加成熟化，其應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大，主要概括如下：

a)玻璃、液晶屏、觸控屏等表面處理效果和清潔度檢測；

b)薄膜、織物、紙張等表面吸附/吸收過程分析；

c)清潔劑如肥皂、洗滌劑等表(界)面張力分析；

d)偏光片、膠片、眼鏡片等表面潤濕性和吸附性分析；

e)表面活性劑如化妝品、乳液、石油等分析與應(yīng)用；

f)納米材料與不同活性劑間濕潤性的測定與研究；

g)親水鋁箔、巖芯、礦物、瀝青、絕緣子等潤濕性行為分析；

h)醫(yī)藥、食品、聚合物等表面競爭、吸附和浸透性分析；

i)印刷、鍍膜、電鍍和上漆等表面附著力檢測；

j)粘貼劑與固體間的粘接程度研究與檢測；

k)噴霧、油漆、涂料和油墨等配方設(shè)計(jì)和潤濕性分析；

l)清洗行業(yè)的清洗效果檢測；

m)晶圓、封裝基板、LED、高精密部件等有機(jī)污染檢測；

n)纖維、碳纖維、玻璃纖維和樹脂等表征分析。

張立峰等人在《太陽能級多晶硅的精煉方法》一書中提及使用接觸角測量設(shè)備來研究高溫下硅在石墨基板和SiC基板上不同時(shí)間下的潤濕行為，結(jié)果如圖4所示，從中可以看出，硅與這兩種材料均潤濕性良好。

圖4

胡淑芬等人使用KrussDSA100接觸角測量儀采用液滴形狀光學(xué)測量法對竹纖維進(jìn)行接觸角測試，它通過脈沖將10pL體積的超純水液滴噴射到已固定在樣品臺(tái)上的水平伸直的單纖維上，CCD記錄液滴與纖維接觸全過程，采用量角法計(jì)算單纖維的靜態(tài)接觸角，結(jié)果如圖5所示。