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接觸角測(cè)量?jī)x的基本原理與應(yīng)用

來源：測(cè)試GO 時(shí)間：2021-01-21 21:36:11 瀏覽：20874次

1引言

接觸角是一項(xiàng)表征液體在固體表面潤(rùn)濕的重要參數(shù)，由其可以了解液體在一定固體表面的潤(rùn)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(cè)量?jī)x，主要用于測(cè)量液體與固體之間的接觸角，即液體對(duì)固體的浸潤(rùn)性。該儀器能測(cè)量各種液體對(duì)各種材料的接觸角，對(duì)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(cè)定與計(jì)算方法

2.1接觸角的測(cè)量方法

測(cè)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(cè)量接觸角的大小，其精度由測(cè)角器所決定；另一類是間接法，即通過其它物理量（長(zhǎng)度、質(zhì)量）的測(cè)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(cè)定長(zhǎng)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(cè)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(cè)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(zhǎng)度測(cè)量法：直接法測(cè)量時(shí)往往要先確定切線的位置，較難做到準(zhǔn)確。而長(zhǎng)度測(cè)量法則是將液體滴在固體表面上并拍下照片，測(cè)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(cè)量法存在的弊處。

c)重量測(cè)量法：對(duì)于固體粉末，先將其壓制成一多孔塞，測(cè)定將液體壓入（不潤(rùn)濕固體粉末）或者壓出（潤(rùn)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(cè)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(cè)量小于20?的接觸角；

c)橢圓法：適用于不同角度的觸角測(cè)量；

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

3接觸角測(cè)量?jī)x簡(jiǎn)介

作為測(cè)量接觸角的儀器，接觸角測(cè)量?jī)x的應(yīng)用相對(duì)廣泛，接下來對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹：

3.1接觸角測(cè)量?jī)x的組成

接觸角測(cè)量?jī)x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(cè)量?jī)x的操作流程

接觸角的測(cè)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(cè)量?jī)x的工作原理

恒溫恒壓下，用接觸角測(cè)量?jī)x本身附帶的注射器針頭將一滴待測(cè)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(cè)量?jī)x的工作原理

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

圖2

接觸角測(cè)量?jī)x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(cè)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(duì)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(cè)量?jī)x的測(cè)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(cè)量?jī)x的應(yīng)用

5.1接觸角測(cè)量?jī)x的作用

簡(jiǎn)單來說，接觸角測(cè)量?jī)x解決了液-固-氣三相之間的所有問題，

簡(jiǎn)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(cè)液體表面張力（液-氣兩相）；

d)加選配件可測(cè)液-液-固三相接觸角（外相為液體）；

e)加選配件可測(cè)液-液界面張力。

5.2接觸角測(cè)量?jī)x的應(yīng)用

接觸角測(cè)量?jī)x主要用于研究液體對(duì)固體的浸潤(rùn)性。隨著技術(shù)的發(fā)展，接觸角測(cè)量?jī)x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(cè)；

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(rùn)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(rùn)性的測(cè)定與研究；

g)親水鋁箔、巖芯、礦物、瀝青、絕緣子等潤(rùn)濕性行為分析；

h)醫(yī)藥、食品、聚合物等表面競(jìng)爭(zhēng)、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(cè)；

j)粘貼劑與固體間的粘接程度研究與檢測(cè)；

k)噴霧、油漆、涂料和油墨等配方設(shè)計(jì)和潤(rùn)濕性分析；

l)清洗行業(yè)的清洗效果檢測(cè)；

m)晶圓、封裝基板、LED、高精密部件等有機(jī)污染檢測(cè)；

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(jí)多晶硅的精煉方法》一書中提及使用接觸角測(cè)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(rùn)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(rùn)濕性良好。

圖4

胡淑芬等人使用KrussDSA100接觸角測(cè)量?jī)x采用液滴形狀光學(xué)測(cè)量法對(duì)竹纖維進(jìn)行接觸角測(cè)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。

圖5

6參考文獻(xiàn)

[1]金麗萍,鄔時(shí)清,陳大勇.物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)-第2版[M].華東理工大學(xué)出版社,2005.

[2]余節(jié)約.包裝膠印1000問[M].印刷工業(yè)出版社,2004.

[3]單靜影,武冬梅,李清源,等.簡(jiǎn)易接觸角測(cè)量?jī)x的建立[J].佳木斯醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào),1995(04):72.

[4]張立峰,李亞瓊.太陽能級(jí)多晶硅的精煉方法[M].冶金工業(yè)出版社,2017.

[5]胡淑芬,王越平.竹纖維的接觸角測(cè)試與評(píng)價(jià)[J].紡織導(dǎo)報(bào),2015(2).

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