接触角测量仪方法和应用

接触角测量仪方法和应用 

、接触角分析方法:

6种： 量高法、五点拟合法、量角法、插板计算法、悬滴拟合法、自动影像分析法等

2、可测静态接触角、动态接触角（滚动角）、前进接触角、后退接触角、液滴表面张力、表面自由能和数据统计分析

3、接触角数据取得方式：全自动测值和人工修整相结合。按测试，软件自动拍照-查找敏感点-计算接触角值-显示计算结果，整个过程无须人工干预，以降低人为因素影响

4、接触角量测技术：数学模型拟合与真实液滴外廓实际量测相结合，解决非对称图像测值问题

5、测试液滴状态，共4种：悬滴法(Pendant Drop/测表面张力)、停滴法(Sessile Drop)（2/3态）、气泡虏获法、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、动/静态接触角测试，可测试前进和后退角，倾斜角和滚动角值（需要加配旋转平台）

8、拍摄图像方法：单张或60帧/秒连续拍摄

9、左右接触角值分别计算与比较功能，软件自动求取平均接触角

10、强大的数据库管理功能：备份、压缩、导出EXCEL表格，测值以及曲线拟合结果均可保存到导出的图片上，直观明了。

11、视频录相功能：录制AVI格式影视图像，可用于PPT文件制作

12、多种表面自由能估算模型，至少有9种表面自由能估算模型，不但能分析低能固体表面，也能分析高能固体表面

接触角测量仪  水滴角测量仪     光学视频水滴角     水滴角测定仪   界面水滴角测量仪   水滴角界面测试仪   接触角测试仪  表面测试仪  界面表面接触角测量仪    水滴角界面测试仪   滚动角测量仪       水滴角接触角仪    滑动角测量仪   视频水滴角测试仪 疏水性测量仪   润湿性测量仪    表面张力测试仪    水滴接触角测试仪    固体表面接触角测定仪   固体材料接触角仪  静态接触角测量仪

影响接触角值的因素

接触角是一用来衡量一液体在一固体表面的润湿性（铺展性）的参数，其数值大小取决于液体和固体表面的特性（属性）。

对接触角数值大小能产生直接影响的液体属性主要包括液体的表面张力，以及引起表面张力的分子作用力的本质，如极性（polar）和非极性（disperse）作用力的组份。如果液体是一多组分体系（如涂料），液体的表面张力一般呈现时间依赖性（动态表面张力），也就是表面张力会随着时间发生变化（一般是随时间下降），这会引起接触角也随着时间发生相应的变化（随着液体表面张力的降低，接触角减小）。

决定接触角大小的另一因数是固体表面的属性。这里所指的属性可以有不同的范畴：

1.固体表面的表面自由能（surface free energy SFE）及其分子作用力的本质，如极性和非极性作用力的组份。可以认为固体表面的表面自由能是由其分子作用力的大小和本质以及分子在表面的排列、结构所决定的；对于一给定的固体表面，其表面自由能数值也应是给定的。但固体表面与液体表面不同，后者几乎瞬间可以达到平衡，而固体表面由于分子的运动受到限制，在现实中很难达到真正意义上的平衡态。固体表面随着时间的松弛，从理论上讲，也会影响接触角的数值，而实际中这一点也往往可以被观察到。

2.固体表面的其它属性。除了上面提到的分子作用力的本质，一些其它的物理、化学属性也会影响接触角的大小。它们包括：

a.固体表面的平整、光滑性（smoothness），或者用其对立面来衡量，也即表面的粗糙度（roughness）。粗糙度可以是无序的（stochastic）表面凸、凹的分布，也可以是确定的、非常有序的、规则的微结构分布，这些特征的尺寸可以是微米或纳米数量级的。

表面的粗糙度将会对液体在固体表面的表观接触角（apparent contact angle）产生影响。表观接触角是指通过一般的（宏观）接触角测量技术（包括光学法和称重法）观测、测得的接触角数值，也就是我们能通过视频光学测量法获得的数值。表观接触角的大小在很大程度上受到液滴与固体表面形成的三相接触线/周边（three phase conatct line / circumference）的影响：如果表面是非常平整的、光滑的，那么三相接触线在铺展过程中不会遇到任何阻滞（retention / pinning），液滴最终将达到其相应的热力学平衡态，呈现的（平衡）接触角也只由液体和固体表面的分子作用力的本质所决定，这样的接触角也称为杨氏接触角（Young’s contact angle）

如果固体表面呈现出尺寸足够大的粗糙度，三相接触线在铺展过程中就会遇到粗糙结构的阻滞（pinning），使其无法总是跨越障碍、达到热力学平衡态。在这种情况下，液滴在固体表面形成的表观接触角就不再是一恒定值，而是可在某一范围内波动，具体的数值大小取决于液滴的三相接触线形成的方式和经历（drop creation history）。这一现象被称为接触角的滞后效应（contact angle hysteresis，CAH）。对于这样的固体表面，只测量一个接触角的值并不能完整地描述其润湿行为，而应该通过测量前进接触角、后退接触角和滑动角（sliding angle）来表征
如果引起固体表面粗糙度的微结构非常精细，尺寸在亚微米或纳米数量级，而且固体材料与液体的接触角值又是在90度以上，此时预先进入到微结构内的空气将不会被液体挤走，而是被液体包围而滞留在微结构内，起到填补微结构空域的作用，从而形成空气和固体表面相交叉的复合表面。空气的存在将进一步提高表观接触角的数值，可以说，任何水的表观接触角大于120度的固体表面，都存在这样的微结构，是一空气和固体材料形成的复合表面，观测到的表观接触角值可以认为是液体在固体表面和空气表面的接触角的某一比例平均值（水在空气表面的接触角值被认为高达180度！）。自然界的荷花叶，和近几年来制备的超疏水性表面均是这样的例子。

在涂料工业，制造具有粗糙形貌表面的一典型技术是运用无光泽涂料（matte paint）。在简单的情况下，可通过在涂料中添加一些固体的、特殊的消光剂（matting agent），这些消光剂在经过涂料干燥工序后会作为细微的疙瘩露出在涂料表面（见图3），因为在干燥过程中由于溶剂挥发和胶合剂的硬化萎缩会引起涂料的体积收缩。消光剂颗粒的大小决定了表面形貌的尺寸。

通过选择合适的消光剂颗粒，涂料基体和色素体积浓度就可以控制涂层表面的粗糙度，从而控制水滴在得到的表面上的接触角大小。采用这种方法可以获得水接触角在140度以上的（超）疏水表面。

接触角是指当一液体与固体表面相接触时，液体在与固体表面相接触（点）处（三相接触边界，3PCP）其液/气-界面形状走向的切线与固体表面（包括液体相一侧）之间的夹角（图-1，-2）。这一角度的值标志着液体在固体表面的润湿性：当润湿性很好时，液体可以在固体表面完全铺展开，呈现0°的接触角值；当润湿性很差时，液体在固体表面完全无法铺展，只能聚集在一起而包成一团，呈现180°的接触角值；当润湿性界于很好与很差之间时，液体在固体表面可以有限度地铺展开来，形成介于 0° ~ 180° 之间的接触角。这一有限的接触角值是体系中各个不同的相互作用力的平衡，也是体系趋向能量的结果。涉及的相互作用力包括:

1、液体自身的表面张力:这一值越大，液体越倾向于聚集在一起、包成一团，而不愿意在固体表面上铺展开来；

2、固体自身的表面张力或表面（自由）能:这一值越大，固体表面的能量位越高，越希望有能量较低的液体层能够在其上面铺展开来而覆盖它，以降低体系的能量；

3、液体/固体表面-界面的相互作用力:这一值越小，固体表面对液体的吸引力越大，液体越能够在其上面铺展开来，导致较低的接触角值。

所以，如果希望液体能够较好地润湿固体表面：液体的表面张力值越低、固体的表面能值越高、液体/固体表面-界面的相互作用力越强就越有利。反之，如果希望液体不要润湿固体表面：液体的表面张力值越高、固体的表面能值越低、液体/固体表面-界面的相互作用力越弱就越有可能。如果假设液体的表面张力值是已知的（这一值可以直接测量，所以比较容易准确获得）；

如果再假设，存在某一确定的依赖关系，如那么接触角的值Θ，

与这些相互作用力之间的关系，可以表达为：，也就是说，接触角的值与液体表面张力和固体表面能有关（上式中的 f

F，G 和 H 均表示一定的函数/依赖关系）。当前者给定时，其值直接与固体表面能相关。所以测量所使用的液体也被称为探针液体（probe），通过测量它在固体表面的接触角值，可以用来探测固体表面的表面能值，也即固体表面的润湿属性，而这也正是接触角测量之应用基础。

接触角值的测量目前有二种常用的方法：基于称量的Modified Wilhelmy Plate方法 和基于液面（liquid meniscus）形状分析的光学法。前者属于间接的方法，后者属于直接方法。

图-1：在固体表面上的液滴（座滴）和接触角

图-2：在固体表面上的液面和接触角

Modified Wilhelmy Plate方法 这一方法是在传统的Wilhemy Plate测量液体表面张力方法的基础上发展而来，所以称为modified （经改变的）。传统的Wilhemy Plate方法被用来测量液体的表面张力：当一块/片规则的金属薄板/片，在经过表面粗糙化处理后，被伸入到液体相时，它受到液体表面张力对其施加的作用力 F（参见图-3）的作用，后者可以通过称量确定。这里Y为液体的表面张力（待测量），为液体润湿金属薄板的总周长（可以通过测量已知表面张力的液体确定或直接通过对薄板几何尺寸的测量经计算获得），Θ是液体在薄板表面的接触角值。测量时，假设接触角值为零，可以通过获得的F值由上式计算出Y值。

图-3：Wilhemy Plate法测量原理示意图

(picture source: https://en.wikipedia.org/wiki/Wilhelmy_plate)

在测量接触角时，把上面的公式转换成以下的形式：通过测量获得的作用力 F，在已知液体的表面张力值，Y，和液体润湿总周长，I，时，可以计算得到接触角值 Θ。测量时，把待测的样品表面代替金属薄板悬挂在天平的力传感器上，让其缓慢地伸入液体相，记录作用力的变化，由此可以计算获得液体在固体表面的前进接触角值。然后再缓慢地将固体样品从液体相中拉出，记录作用力的变化，由此可以计算获得液体在固体表面的后退接触角值。

所以这一方法可以用来测量液体在固体表面的动态接触角，包括前进和后退接触角值，而且可以很好地控制液体/气体/固体表面-三相接触线的移动速度。

原则上，经改变的Wilhemy Plate法可以用来测量任何几何形状的表面，如果我们可以准确测量其和液体润湿时的总周长I,而且这一值在样品移动过程中保持不变（或者我们可以预先知道其变化函数关系）。计算得到的接触角值代表顺着这一润湿总周长的的（平均）有效值。

但是这里遇到这样几个问题：

1. 对于具有不规则形貌的样品表面，其实很难确定/测量其润湿时的总周长 I.所以这一方法的测量一般只限于几何形状规则的样品表面，如薄板/片，圆柱体等。当样品表面不平整（如存在较显著的粗糙度、高低起伏，不规则或间隙等）时，这一总周长I 也非易事，而这一数值的不确定性，直接地影响到获得的接触角值的可靠性。

2. 计算得到的接触角值代表沿着这一润湿总周长的（平均）有效值。这就要求接触角在这一总周长沿线的值符合一定的分布的（如Gauss分布），而且是相互关联的，否则得到的（平均）有效值缺乏一定的物理意义。比如，如果样品二面的表面属性不同、毫不相干，那么测量得到的液体在二个不同表面上的接触角的（平均）有效值就没有一定的物理意义。这就要求沿着润湿总周长的表面属性是相同的或属于同一类的（也即样品具有相同的二面）。对于实际中的许多样品表面，其实其二面的属性往往是（完全）不相同的，要求测量的也只限于其中的一面（如经过改性的一面） ，虽然有人建议可以把这样的表面通过双面胶带粘结在一起，使得曝露在外的二个表面均是样品需要测量的一面；但在实际操作中，这往往需要时间和耐性，而且也会引入其它的测量误差。

3. 另外，这一方法也要求样品在（上下）移动方向上也基本是均一的，否则测量得到的接触角值很难与具体的样品位置相关联。这就限制了对不均一样品（比如PCB板）进行测量的可能性。

4. 这一方法能够接纳的样品尺寸是非常有限制的：既不能太大，也不能太小。实际遇到的样品尺寸一般都要么太大需要进行切割后才能测量（而这又会带来问题和引入误差）；要么太小，无法进行测量。

5. 再者这一方法在计算时，忽略了样品的边缘（edges）可能对测量和计算的影响，而这是否合理，目前不是非常清楚。

所以这一方法通常只用来测量表面四周属性相同的薄板/薄片和圆柱体（包括纤维）。虽然这一方法也有被用来测量颗粒/粉末的接触角（通过将颗粒/粉末粘结在双面胶带的二面），但在这种情况下，如何测量其润湿时的总周长I，是有待进一步商榷的，因为颗粒/粉末组成的表面是不平整的，包括起伏和间隙，其真实的I值可能要比运用几何规则通过简单测量/计算得到的值大得多，这（一疑点）也同样适用于具有微观/纳米表面结构的样品表面。而对于超疏水性表面，这一问题可能更加复杂。

随着样品的移动，测量得到的力（以及计算得到的接触角值）可能随样品的位置而变化，每一时刻的力和接触角值都表示此时沿着润湿总周长的（平均）有效值，所以这一方法可以被用来对样品进行一维扫描（垂直方向）（但如上面已经提及，样品表面必须基本上是均匀的）。

方法的优点在于其测量过程基本上完全自动化（可以减少人为因素的影响），这可以提高测量过程的可重复性。但也必须指出，许多时候润湿总周长I的测量还是无法完全排除操作人员的主观因素。另外，随着基于座滴法的光学接触角直接测量法的自动化程度的不断提高，经改变的Wilhemy Plate法在这方面所具有的优势也越来越不再突出。（前进接触角/后退接触角/接触角滞后性的全自动测量）

基于座滴分析的视频光学接触角测量法 这一方法是通过对在固体表面形成的液体座滴形状的直接观测、分析和计算来获得接触角的值（参见图-1）。相比于上面的基于改变的Wilhemy Plate称量法，这是一种直接的测量方法。与后者相比，座滴分析测量法适用范围广，灵活性高，更适合用来测量几乎在任何固体表面上的接触角。而且，由于是一种直接测量法，所涉及的假设也比较少。随着座滴分析测量法的自动化程度的不断提高（自动实现液滴在表面的形成，自动确定液滴的三相接触基线位置，自动检测液滴的轮廓坐标，自动对得到的轮廓坐标进行分析和计算等），这一方法即使在人为主观因素可能对测量带来的影响程度上，也不再比基于改变的Wilhemy Plate称量法来得显著。

内凹表面接触角测量法 当需要测量的固体表面是一内凹表面时（比如锅底、器皿等容器的内底表面，镜片的凹面等），或者需要测量的位置由于周围有隆起（凸起）的障碍而无法运用通常的侧面座滴法进行测量时，可以采用基于俯视的座滴分析法

基于其它液面形状分析的视频光学接触角测量法 除了基于液体座滴形状分析的接触角测量法之外，还有基于对其它的液面形状或构造进行分析的接触角测量法。

一、接触角测量仪应用范围:
接触角测量仪主要应用于石油、化工、医药、造纸、涂料、农药、材料粘结剂、陶瓷、洗涤剂、高分子颜料、电线电缆、纺织、染料、建筑材料防水、浮法选矿、焊接、医疗卫生等众多领域。

二、接触测量仪的应用领域
2.1.在润滑油的特性标定中，检验各中重油、润滑油的黏附及润湿关系。

2.2.在印刷行业中，检验印刷油墨、金属、纸张之间的付着、黏结润湿关系。

2.3.在建筑防水工作中，检验经硅酸树脂处理的纺织物的防水性能。

2.4.在浮选工作中，检验用沸腾法选择矿物微粒在油水混合物中沾化吸附能力。

2.5.在搪瓷工业中，检验溶化的硅化物对金属表面的粘化附着力。

2.6.在活性试剂表面特性测定中，检查液体试剂的渗透、生锈特性。

2.7.检验金属表面的脱脂，清洁，老化，亲水等情况及薄膜表面上的吸附特性。

2.8.在军事科学研究中，检验发射出的弹皮与空气中雨雾的附着、润湿特性。