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界面接觸角測試儀

1)當θ=0,，完全潤濕,；

2)當θ﹤90°，部分潤濕或潤濕；

3)當θ=90°,，是潤濕與否的分界線,；

4)當θ﹥90°，不潤濕,；

5)當θ=180°,，完全不潤濕。

潤濕性問題與采礦浮選,、石油開采,、紡織印染、農(nóng)藥加工,、感光膠片生產(chǎn),、油漆配方以及防水、洗滌等都有密切關(guān)系,。

1.什么是接觸角

接觸角是指在氣,、液、固三相交點處所作的氣-液界面的切線與固-液交界線之間的夾角θ,，是潤濕程度的量度,。若θ<90°，則固體是親液的,，即液體可潤濕固體,，其角越小，潤濕性越好,；若θ>90°,，則固體是憎液的，即液體不潤濕固體,，容易在表面上移動,，不能進入毛細孔。

2.測試方法:

接觸角現(xiàn)有測試方法通常有兩種:其一為外形圖像分析方法;其二為稱重法.后者通常稱為潤濕天平或滲透法接觸角儀.但目前應(yīng)用泛,，測值*直接與準確的還是外形圖像分析方法.外形圖像分析法的原理為,，將液滴滴于固體樣品表面，通過顯微鏡頭與相機獲得液滴的外形圖像,， 再運用數(shù)字圖像處理和一些算法將圖像中的液滴的接觸角計算出來.計算接觸角的方法通?；谝惶囟ǖ臄?shù)學(xué)模型如液滴可被視為球或圓椎的一部分，然后通過測量特定的參數(shù)如寬/高或通過直接擬合來計算得出接觸角值,。Young-Laplace方程描述了一封閉界面的內(nèi),、外壓力差與界面的曲率和界面張力的關(guān)系，可用來準確地描述一軸對稱的液滴的外形輪廓,，從而計算出其接觸角,。

3. 通俗概括

接觸角并不復(fù)雜,，就是液滴在固體表面自然形成的半圓形態(tài)相對于固體平面的外切線。接觸角的應(yīng)用非常廣泛,，甚至可以說涉及到身邊的每個細節(jié),，比如我們希望汽車玻璃上不沾雨水、但反之我們希望汽車鋼板上的油漆脫落,。其他比如農(nóng)藥和蔬菜葉面,、涂料和內(nèi)外墻面、絕緣油和絕緣材料,、納米材料表面改性等等,，從教學(xué)科研、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)到日常生活,，舉不勝舉,。

4. 界面接觸角測試儀運用領(lǐng)域

廣泛運用 教育科研 化妝品、選礦,、造紙,、醫(yī)療衛(wèi)生、建筑材料,、環(huán)境保護,、海洋、化工,、石油,、噴涂、油漆油墨,、印染,、紡織、光學(xué),、液晶顯示器 生物制藥 醫(yī)療器材 太陽能等行業(yè)

1. 接觸角測量范圍：0～180°

2. 滾動角測量范圍：0～360°(選配,，如需要可以選擇SCI3000F型)

3. 接觸角分辨率：0.01°

4. 接觸角測值精度：±0.1°(θ/2 法)

5. 表面張力測試方法：懸滴法

6. 表面張力測試范圍：0～1000mN/m

7. 表面張力測試分辨率：0.01mN/m

8. 儀器尺寸及重量：245Wx530Dx450H mm 12 kg

9. 電源：AC220—240V 50HZ

（一） 樣品臺及其控制：

1、樣品臺移動：三維控制,，XY行程：手動±50mm 精度：0.1mm Z行程：手動 25mm 精度：0.01mm

2,、樣品臺大小：70*100mm

3,、樣品臺旋轉(zhuǎn)：360°滾動角測試平臺 (選配)

4,、儀器水平控制：樣品臺水平控制、鏡頭水平控制和整機四腳水平

（二） 進液系統(tǒng)及其控制：

1,、進液系統(tǒng)：手控制注射泵系統(tǒng)

2,、進液器： 50ul、100ul及魯爾式高精度微量進樣器一套

3,、針頭： 0.7mm 標準針頭、0.14mm超細針頭及疏水針頭一套

4、進樣器控制：XY 行程：手動 12.5mm*12.5mm 0.01mm精度

Z行程：手動25mm 0.01mm精度 實現(xiàn)移液及焦距對焦功能

5,、進樣模式：程序設(shè)置進樣區(qū)域,，多點自動按序拍攝，統(tǒng)一分析計算,，自動得到數(shù)據(jù),，一鍵出結(jié)果。

（三） 成像系統(tǒng)及其控制：

1,、鏡頭控制：一維俯仰控制

2,、鏡頭：高性能工業(yè)連續(xù)放大鏡頭，0.7-5X光學(xué)放大,，有效像素55 -320 pixel/mm

3,、相機系統(tǒng)：工業(yè)級超低照度CCD系統(tǒng)（專業(yè)），放大倍數(shù)可達 60 倍

4,、水平解析度：750線,，0.0005Lux照度

5、相機通訊：芯片系列CCD,，25幀/秒（60幀/秒）的速度,，或更高幀率

6、分辨率（低）：1280*1024

7,、背景光：連續(xù)可調(diào)亮度LED冷光源 ,，50個左右高亮度LED燈，亞克力遮光片技術(shù),，發(fā)光均勻,。

8、七維調(diào)整平臺

四,、軟件指標：

1,、接觸角分析方法:

6種： 量高法、五點擬合法,、量角法,、插板計算法、懸滴擬合法,、自動影像分析法等

2,、可測靜態(tài)接觸角、動態(tài)接觸角（滾動角）,、前進接觸角,、后退接觸角、液滴表面張力,、表面自由能和數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

3,、接觸角數(shù)據(jù)取得方式：全自動測值和人工修整相結(jié)合,。按測試，軟件自動拍照-查找敏感點-計算接觸角值-顯示計算結(jié)果,，整個過程無須人工干預(yù),，以降低人為因素影響

4、接觸角量測技術(shù)：數(shù)學(xué)模型擬合與真實液滴外廓實際量測相結(jié)合,，解決非對稱圖像測值問題

5,、測試液滴狀態(tài)，共4種：懸滴法(Pendant Drop/測表面張力),、停滴法(Sessile Drop)（2/3態(tài)）,、氣泡虜獲法、插板法等

6,、曲面修正：上凸曲面,、下凹曲面、表面粗糙度修正

7,、動/靜態(tài)接觸角測試,，可測試前進和后退角，傾斜角和滾動角值（需要加配旋轉(zhuǎn)平臺）

8,、拍攝圖像方法：單張或60幀/秒連續(xù)拍攝

9,、左右接觸角值分別計算與比較功能，軟件自動求取平均接觸角

10,、強大的數(shù)據(jù)庫管理功能：備份,、壓縮、導(dǎo)出EXCEL表格,，測值以及曲線擬合結(jié)果均可保存到導(dǎo)出的圖片上,，直觀明了。

11,、視頻錄相功能：錄制AVI格式影視圖像,，可用于PPT文件制作

12、多種表面自由能估算模型,，至少有9種表面自由能估算模型,，不但能分析低能固體表面，也能分析高能固體表面

接觸角測量儀 水滴角測量儀 光學(xué)視頻水滴角 水滴角測定儀 界面水滴角測量儀 水滴角界面測試儀 接觸角測試儀 表面測試儀 界面表面接觸角測量儀 水滴角界面測試儀 滾動角測量儀 水滴角接觸角儀 滑動角測量儀 視頻水滴角測試儀 疏水性測量儀 潤濕性測量儀 表面張力測試儀 水滴接觸角測試儀 固體表面接觸角測定儀 固體材料接觸角儀 靜態(tài)接觸角測量儀

影響接觸角值的因素

接觸角是一用來衡量一液體在一固體表面的潤濕性（鋪展性）的參數(shù),，其數(shù)值大小取決于液體和固體表面的特性（屬性）,。

對接觸角數(shù)值大小能產(chǎn)生直接影響的液體屬性主要包括液體的表面張力，以及引起表面張力的分子作用力的本質(zhì),，如極性（polar）和非極性（disperse）作用力的組份,。如果液體是一多組分體系（如涂料），液體的表面張力一般呈現(xiàn)時間依賴性（動態(tài)表面張力）,，也就是表面張力會隨著時間發(fā)生變化（一般是隨時間下降）,，這會引起接觸角也隨著時間發(fā)生相應(yīng)的變化（隨著液體表面張力的降低,，接觸角減小）,。

決定接觸角大小的另一因數(shù)是固體表面的屬性,。這里所指的屬性可以有不同的范疇：

1.固體表面的表面自由能（surface free energy SFE）及其分子作用力的本質(zhì)，如極性和非極性作用力的組份,。可以認為固體表面的表面自由能是由其分子作用力的大小和本質(zhì)以及分子在表面的排列,、結(jié)構(gòu)所決定的,；對于一給定的固體表面，其表面自由能數(shù)值也應(yīng)是給定的,。但固體表面與液體表面不同,，后者幾乎瞬間可以達到平衡，而固體表面由于分子的運動受到限制,，在現(xiàn)實中很難達到真正意義上的平衡態(tài),。固體表面隨著時間的松弛，從理論上講,，也會影響接觸角的數(shù)值,，而實際中這一點也往往可以被觀察到。

2.固體表面的其它屬性,。除了上面提到的分子作用力的本質(zhì),，一些其它的物理、化學(xué)屬性也會影響接觸角的大小,。它們包括：

a.固體表面的平整,、光滑性（smoothness），或者用其對立面來衡量,，也即表面的粗糙度（roughness）,。粗糙度可以是無序的（stochastic）表面凸、凹的分布,，也可以是確定的,、非常有序的、規(guī)則的微結(jié)構(gòu)分布,，這些特征的尺寸可以是微米或納米數(shù)量級的,。

表面的粗糙度將會對液體在固體表面的表觀接觸角（apparent contact angle）產(chǎn)生影響。表觀接觸角是指通過一般的（宏觀）接觸角測量技術(shù)（包括光學(xué)法和稱重法）觀測,、測得的接觸角數(shù)值,，也就是我們能通過視頻光學(xué)測量法獲得的數(shù)值。表觀接觸角的大小在很大程度上受到液滴與固體表面形成的三相接觸線/周邊（three phase conatct line / circumference）的影響：如果表面是非常平整的,、光滑的,，那么三相接觸線在鋪展過程中不會遇到任何阻滯（retention / pinning）,，液滴*終將達到其相應(yīng)的熱力學(xué)平衡態(tài)，呈現(xiàn)的（平衡）接觸角也只由液體和固體表面的分子作用力的本質(zhì)所決定,，這樣的接觸角也稱為楊氏接觸角（Young’s contact angle）楊氏接觸角只與液體的表面張力 γlv

γlv

,， 固體表面的表面自由能 γsv

γsv

和固體表面與液體接觸形成的固/液-界面的界面張力 γsl

γsl

有關(guān)（參見圖1中的Young’s Equation）。

如果固體表面呈現(xiàn)出尺寸足夠大的粗糙度,，三相接觸線在鋪展過程中就會遇到粗糙結(jié)構(gòu)的阻滯（pinning）,，使其無法總是跨越障礙、達到熱力學(xué)平衡態(tài),。在這種情況下,，液滴在固體表面形成的表觀接觸角就不再是一恒定值，而是可在某一范圍內(nèi)波動,，具體的數(shù)值大小取決于液滴的三相接觸線形成的方式和經(jīng)歷（drop creation history）,。這一現(xiàn)象被稱為接觸角的滯后效應(yīng)（contact angle hysteresis，CAH）,。對于這樣的固體表面,，只測量一個接觸角的值并不能完整地描述其潤濕行為，而應(yīng)該通過測量前進接觸角,、后退接觸角和滑動角（sliding angle）來表征

如果引起固體表面粗糙度的微結(jié)構(gòu)非常精細,，尺寸在亞微米或納米數(shù)量級，而且固體材料與液體的接觸角值又是在90度以上,，此時預(yù)先進入到微結(jié)構(gòu)內(nèi)的空氣將不會被液體擠走,，而是被液體包圍而滯留在微結(jié)構(gòu)內(nèi)，起到填補微結(jié)構(gòu)空域的作用,，從而形成空氣和固體表面相交叉的復(fù)合表面,。空氣的存在將進一步提高表觀接觸角的數(shù)值,，可以說,，任何水的表觀接觸角大于120度的固體表面，都存在這樣的微結(jié)構(gòu),，是一空氣和固體材料形成的復(fù)合表面,，觀測到的表觀接觸角值可以認為是液體在固體表面和空氣表面的接觸角的某一比例平均值（水在空氣表面的接觸角值被認為高達180度！）,。自然界的荷花葉,，和近幾年來制備的超疏水性表面均是這樣的例子。

在涂料工業(yè),，制造具有粗糙形貌表面的一典型技術(shù)是運用無光澤涂料（matte paint）,。在簡單的情況下，可通過在涂料中添加一些固體的、特殊的消光劑（matting agent）,，這些消光劑在經(jīng)過涂料干燥工序后會作為細微的疙瘩露出在涂料表面（見圖3）,，因為在干燥過程中由于溶劑揮發(fā)和膠合劑的硬化萎縮會引起涂料的體積收縮。消光劑顆粒的大小決定了表面形貌的尺寸,。

通過選擇合適的消光劑顆粒,，涂料基體和色素體積濃度就可以控制涂層表面的粗糙度，從而控制水滴在得到的表面上的接觸角大小,。采用這種方法可以獲得水接觸角在140度以上的（超）疏水表面,。

b.固體表面的化學(xué)屬性分布不均勻性（chemical inhomogeneity）：這里的化學(xué)屬性是指化學(xué)組成。由于種種原因,，固體表面的化學(xué)組成分布可以呈現(xiàn)出不均一性：這可以是制造過程造成的,，可以是相分離引起的，可以是清洗不徹底留下的,，也可以是被污染（雜質(zhì)）所致等?；瘜W(xué)屬性分布的不均勻性對接觸角產(chǎn)生的影響在一定程度上可以與表面粗糙度相比擬：不同的化學(xué)組分與液體的作用力也不同,，作用力較強的組分將對液滴起到銷住（pinning）效應(yīng),，阻滯它鋪展到平衡狀態(tài),。所以化學(xué)屬性分布的不均勻性將同樣地引起接觸角的滯后效應(yīng)，擴大可呈現(xiàn)的表觀接觸角的數(shù)值范圍,。

3.溫度和空氣的濕度有時候也會影響接觸角的大小,。但如果溫度或濕度的變化范圍不是很大，一般情況下,，對接觸角產(chǎn)生的影響也不會很大,。

從上面的討論可以看出，對于涂料這類表面,，接觸角不但與涂料的化學(xué)組成有關(guān),，也與表面的光潔度有關(guān)。在同一涂料配方中添加不同的色素,，不但改變了涂料的化學(xué)組成,，也可能改變涂層表面的粗糙度。另外色素有可能優(yōu)先聚集在涂層表面,，這將更大程度上造成表面屬性的改變,。所以添加不同的色素得到的涂層表面，可能呈現(xiàn)出不同的接觸角,。

2. 測量表觀接觸角的意義

上面也提到,，楊氏關(guān)系式只適用于理想的固體表面。后者是指光滑,、平整,、均勻,、無孔隙以及不與所接觸的液體起任何化學(xué)反應(yīng)，也不會發(fā)生吸收/滲透等作用的表面,。這里的均勻既是指化學(xué)屬性（如化學(xué)組成）,，也是指物理屬性（如取向、排列,、有序性等）的均勻,。這些條件對一固體表面提出了很高的要求，是多數(shù)通常的樣品所無法達到的,。所以在通常的固體表面上觀測到的（也即測量到的）接觸角被稱為表觀接觸角（apparent contact angle）,。表觀接觸角并不一定是液體/固體表面組成的體系常數(shù)，也就是說,，同一液體在由同一材料制作的固體表面上可以有不同的表觀接觸角,，因為其數(shù)值不但與材料有關(guān)，也與表面的許多其它屬性有關(guān),。這些屬性包括表面的光滑程度,，平整程度，幾何/微觀形貌,，分子排列取向,，對液體的吸濕性，滲透性等,。另外表觀接觸角也很可能與液滴的形成方式有關(guān),。在這里我們排除了液體與固體表面發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)的可能性，因為其對結(jié)果的影響更是顯而易見的,。所以更確切地講實際測量過程中獲得的表觀接觸角是一表面多種屬性的綜合參數(shù),，表征著實際表面對某一液體的潤濕屬性。

以上的討論容易讓人產(chǎn)生一種疑惑的感覺或錯綜復(fù)雜的印象：在這種情況下,，測量液滴在固體表面的接觸角有多少價值,，能提供多少信息？答案很簡單：這正是我們所希望的,，因為這正是我們的真實世界里所發(fā)生的,、觀測到的，當然也就是我們研究,、測量的目的,。如果反過來假設(shè)一種測量技術(shù)得到的確實是真正的楊氏接觸角，那么我們還得想出一種辦法（比如通過理論或模型）,，使得可以從楊氏接觸角獲得表觀接觸角,，因為多數(shù)情況下我們更關(guān)心的是后者的值。

如果說上面的楊氏關(guān)系式把楊氏接觸角與理想狀態(tài)下的界面作用力聯(lián)系在一起，那么表觀接觸角在一定程度上通過同樣的楊氏關(guān)系式把表觀接觸角與表觀狀態(tài)下（也即真實情況下）的界面相互作用力以及其它的影響因素（這二者也可以合起來作為表觀界面相互作用力來看待）聯(lián)系在一起,，而這正是許多實際工作所需要的,。通過測量液體在固體表面的接觸角等潤濕行為，可以間接獲得固體表面的（表觀）表面自由能信息,，表征固體表面各種可影響其潤濕行為的參數(shù),。

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