超親水材料對水的潤濕性非常好，水滴在這種材料表面上極易鋪展，接觸角數(shù)值很小，稱為極低接觸角。

       在很多應(yīng)用領(lǐng)域會涉及到極低接觸角的測量。比如液晶屏和太陽能電池板的清洗工序。清洗后有機(jī)污染物去除的越徹底，材料表面越清潔則接觸角數(shù)值越小。工藝上往往要求水滴的接觸角小于10°甚至更低。

       利用傳統(tǒng)的側(cè)視法接觸角測量儀時，如果接觸角低于 15°，測量難度將隨著接觸角角度的減小而急劇升高，準(zhǔn)確性和可靠性下降。當(dāng)接觸角低于約 5°時，幾乎很難再得到有意義的結(jié)果。這是因?yàn)楫?dāng)接觸角下降到這一范圍時，液滴的側(cè)面圖像嚴(yán)重受到側(cè)面光照和樣品反光的影響，采用傳統(tǒng)側(cè)視成像的方式很難再獲得準(zhǔn)確的液滴邊緣輪廓，這會直接影響接觸角的擬合計算。

        解決極低接觸角的測量問題，采用俯視成像方式是一種非?？煽康臏y量方法。俯視測量法是通過從液滴正上方觀測在固體表面上的液滴形狀來獲得液滴接觸角的測量方法。

        下圖是使用側(cè)視法和俯視法對同一液滴同時拍照得到的照片。顯然在接觸角 5°左右時側(cè)視法的照片液滴輪廓已經(jīng)模糊，軟件無法自動準(zhǔn)確的計算出液滴的邊界，而俯視法液滴的三相接觸線輪廓清晰可見。

       俯視法接觸角測量儀測量范圍廣，尤其是接觸角值極小時依然能夠得到準(zhǔn)確可靠的測量結(jié)果。在此類應(yīng)用中俯視法和傳統(tǒng)側(cè)視法相比，有著明顯的優(yōu)勢，是測量超親水材料接觸角的Z佳選擇。

       受益于二十世紀(jì)末計算機(jī)速度的大幅提高和高分辨率數(shù)碼相機(jī)的出現(xiàn)，使得我們對圖像數(shù)據(jù)求解上述方程成為了可能。

       簡單地說，在已知液體表面張力和密度的前提下，如果我們能夠控制液滴的體積并且精確的測量液滴和材料表面三相接觸線的形狀尺寸，我們就可以利用 Laplace-Young 模型計算出液滴的三維輪廓，從而準(zhǔn)確的得到接觸角數(shù)值。

       下圖為使用側(cè)視法和俯視法對同一液滴同時測量接觸角得到的結(jié)果。

注意：根據(jù)接觸角不同計算模型的特點(diǎn)，一般來說在材料表面均一性較好的情況下，側(cè)視法測量接觸角在 0~180°范圍內(nèi)都可以使用，并且在 130°以上時側(cè)視法測量結(jié)果更為可靠；俯視法測量接觸角在 0~180°范圍內(nèi)都可以使用，并且在 10°以下時俯視法測量結(jié)果更為可靠。

      超親水一般是指水滴能夠在材料表面完全鋪展開，使接觸角等于或者接近于0°。超親水材料對水的潤濕性非常好，水滴在這種材料表面上極易鋪展，接觸角數(shù)值很小，稱為極低接觸角。

      在不少應(yīng)用領(lǐng)域遇到的接觸角的值會很低，或者要求其值越低越好。比如液晶屏和太陽能電池板的清洗工序就是這樣一個比較典型的應(yīng)用領(lǐng)域，通過對玻璃/金屬等表面的清洗以去除上面的油脂等有機(jī)、低表面能的污染物，然后通過測量水滴在其上面的接觸角來評估或確保清洗的效果。清洗后有機(jī)污染物去除的越徹底，材料表面越清潔則接觸角數(shù)值越小。工藝上往往要求水滴的接觸角小于10°甚至更低。

       多數(shù)情況下，當(dāng)接觸角低于約 15°時，測量難度將隨著接觸角角度的減小而急劇升高，準(zhǔn)確性和可靠性下降；當(dāng)接觸角低于約 5°時，已幾乎很難再得到有意義的結(jié)果。這是因?yàn)楫?dāng)接觸角下降到這一范圍時，液滴的側(cè)面圖像嚴(yán)重受到側(cè)面光照和樣品反光的影響，采用傳統(tǒng)側(cè)視成像的方法很難再獲得準(zhǔn)確的液滴邊緣輪廓，這會直接影響接觸角的擬合計算。為了解決極低接觸角的測量問題，LAUDA Scientific接觸角測量儀引入了一種可靠的極低接觸角測量方法：俯視成像測量方法。俯視測量法是通過從液滴正上方觀測在固體表面上的液滴形狀來獲得液滴接觸角的測量方法。

       下圖是使用傳統(tǒng)側(cè)視法和俯視法對同一液滴同時拍照得到的照片。顯然接觸角值在5°左右時側(cè)視法照片的液滴輪廓已經(jīng)模糊，軟件已經(jīng)無法自動準(zhǔn)確的獲得液滴的邊緣輪廓，而俯視法液滴的三相接觸線輪廓清晰可見。

俯視法接觸角測量儀測量范圍廣，尤其是接觸角值極小時依然能夠得到準(zhǔn)確可靠的測量結(jié)果。在此類應(yīng)用中俯視法和傳統(tǒng)側(cè)視法相比，有著明顯的優(yōu)勢，是測量超親水材料接觸角的優(yōu)先選擇。

根據(jù)接觸角不同計算模型的特點(diǎn)，一般來說在材料表面均一性較好的情況下，側(cè)視法接觸角測量儀測量接觸角值在0~180°范圍內(nèi)都可以使用，并且在130°以上時側(cè)視法測量結(jié)果更為可靠；俯視法接觸角測量儀測量接觸角值在0~180°范圍內(nèi)都可以使用，并且在10°以下時俯視法測量結(jié)果更為可靠。

        在很多應(yīng)用領(lǐng)域會涉及到測量超親水材料的接觸角。比如液晶屏和太陽能電池板的清洗工序。清洗后有機(jī)污染物去除的越徹底，材料表面越清潔則接觸角數(shù)值越小。工藝上往往要求水滴的接觸角小于10°甚至更低。

        利用傳統(tǒng)的側(cè)視法接觸角測量儀測量接觸角，如果接觸角低于15°，測量難度隨著接觸角角度的減小而急劇升高，準(zhǔn)確性和可靠性下降；當(dāng)接觸角低于約5°時，幾乎很難再得到有意義的結(jié)果。對于測量極低接觸角，俯視測量法是一種非?？煽康臏y量方法。俯視測量法是通過從液滴正上方觀測在固體表面上的液滴形狀來獲得液滴接觸角的測量方法。

        側(cè)視法和俯視法對同一液滴同時拍照得到的圖片如下圖所示，接觸角5°左右時側(cè)視法的液滴輪廓已經(jīng)模糊，軟件無法自動準(zhǔn)確地計算出液滴的邊界，而俯視法液滴的三相接觸線輪廓清晰可見。

        俯視法接觸角測量儀測量范圍廣，尤其是接觸角值極小時依然能夠得到準(zhǔn)確可靠的測量結(jié)果。在此類應(yīng)用中俯視法和傳統(tǒng)側(cè)視法相比，有著明顯的優(yōu)勢，是測量超親水材料接觸角的JJ選擇。

       超疏水表面指難以被水潤濕的表面，在這種表面上水滴難以鋪展，水總是團(tuán)聚在一起。測量液滴和材料的接觸角是評價材料表面潤濕性的主要方法，超疏水材料的接觸角甚至?xí)笥?150°。為了全面的評價超疏水材料的潤濕性，在實(shí)驗(yàn)中有必要測量液滴的前進(jìn)角、后退角和滾動角等動態(tài)過程。
       使用光學(xué)接觸角測量儀測量接觸角首先需要將液滴轉(zhuǎn)移到材料表面，但是由于材料的超疏水特性，液滴總是粘附在注射針的頂端，很難轉(zhuǎn)移到材料表面。如果過分增大液滴的體積，利用重量把液滴轉(zhuǎn)移下來，過大的液滴會增加準(zhǔn)確測量接觸角的難度。有人不得不用手指輕彈注射針抖落液滴，這也不是規(guī)范的實(shí)驗(yàn)操作。非接觸式注液是目前解決這個問題的好方法。
       非接觸式注液是指通過注射器上的噴嘴，利用注射泵的脈沖推射液滴，使液滴直接落到材料表面上。這種注液方式完全避免了液滴在注射針針頭上的粘附，徹底解決了液滴轉(zhuǎn)移的問題。

       在液體轉(zhuǎn)移到材料表面之后，儀器會自動拍下一張清晰的照片。為了準(zhǔn)確的計算液滴的接觸角，我們建議使用 Laplace-Young 算法。因?yàn)樵诔杷牧仙系囊旱谓佑|角很大，呈現(xiàn)很好的軸對稱性，在諸多接觸角計算的模型中，Laplace-Young 算法全面考慮到重力、密度等因素對液滴形狀的影響，所以它是Z準(zhǔn)確的測量水平的超疏水材料表面上液體接觸角的計算方法。

       為了全面的評價超疏水材料的潤濕性，除了測量液滴在在水平的材料表面上的接觸角之外，我們往往還要測量液滴在材料傾斜表面上的前進(jìn)角、后退角、和滾動角。使用自動傾斜臺可以方便的完成這種測量。這里需要注意到液滴處于傾斜表面上在重力作用下已經(jīng)不再對稱，所以 Laplace-Young 法一般不再適用，此時需要使用能夠?qū)σ旱伪砻娣侄螖M合計算的一些專用方法，例如 Truedrop 算法。

       如果儀器沒有配置自動傾斜臺，那么可以考慮使用注液-吸液法測量前進(jìn)角和后退角。在注液和吸液過程中注射針可能會偏離液滴的ZX，這時如果注射針架可以在 X/Y/Z 三軸精密移動，將會方便的調(diào)整注射針的位置，使得注射針對液滴形狀的影響降到Z小，能夠較為準(zhǔn)確的測量前進(jìn)角和后退角的數(shù)值。

       Z后在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的時候，接觸角的數(shù)值變化往往和三相接觸點(diǎn)位置的變化緊密相關(guān)。所以在動態(tài)數(shù)據(jù)圖表上同時顯示接觸角的變化曲線和三相接觸點(diǎn)位置的變化曲線。這樣才能完整準(zhǔn)確的描述前進(jìn)角和后退角的形成及變化過程。

        纖維在液體基質(zhì)中的潤濕行為在紡織工業(yè)和高級纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的制造中起著重要作用。纖維樣品的尺寸可能介于外徑5μm（如超細(xì)纖維）至數(shù)毫米（如金屬絲等）之間，由于纖維樣品的圓柱形狀和微小直徑，液滴表面在接近三相接觸點(diǎn)時會急劇變化，甚至出現(xiàn)拐點(diǎn)（座滴的輪廓在平面樣品上永遠(yuǎn)不會出現(xiàn)拐點(diǎn)），導(dǎo)致直接在纖維樣品上測量接觸角通常比在平面上要困難得多。

        單一纖維的接觸角，是基于對單絲上單個液滴的直接微觀觀測，通過液滴的輪廓采用完全不同的計算算法來確定接觸角。

        用于描述和計算液滴在單絲（DoF）體系接觸角的數(shù)學(xué)模型，是基于與測量常規(guī)座滴接觸角相同的Laplace-Young方程（參見下圖的公式）。然而，邊界條件的選取有很大差別，這導(dǎo)致液滴的輪廓完全不同。如果可以精確測量液滴的長度l 和高度 h，則可以根據(jù)系統(tǒng)方程計算接觸角，該方程稱為ZD液滴長-高法（MLH）。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，很難精確測量液滴ZD長度l，特別是對于直徑小于15μm的超細(xì)纖維，因?yàn)楹茈y從視覺上或數(shù)學(xué)上明確的識別纖維表面的三相接觸點(diǎn)。然而，接觸角的數(shù)值即使對液滴長度l值中的微小誤差也相當(dāng)敏感。

        為了克服這一困難，LAUDA Scientific光學(xué)接觸角測量儀的SurfaceMeter軟件采用了多種計算方法，通過DoF體系的液滴外形來計算接觸角。除了ZD液滴長-高法之外，它還提供了廣義液滴長-高法（GLH）。GLH法不僅通過(l, h)數(shù)值對確定接觸角的值，而且還根據(jù)許多其它輪廓坐標(biāo)對確定接觸角的值。因此，采用整個液滴輪廓進(jìn)行計算，而不僅僅是MLH法那樣只使用兩個，這使得該方法更加可靠和精確。

        直徑小于15μm的微纖維上的液滴體積通常小于100pl（皮升），因此，這類測量需要使用特殊的皮升注射單元。此外，還需要適用于微纖維的高倍光學(xué)系統(tǒng)和特殊樣品臺。

        除DoF法外，LAUDA Scientific光學(xué)接觸角測量儀還提供了另一種光學(xué)方法，用于研究直徑范圍從幾微米到幾毫米的單絲的潤濕行為，這就是所謂的Liquid-Bridge Meniscus (LBM)液橋法。

與DoF法相比，LBM法可以測量大于90度的接觸角。LBM法也考慮了重力因素，因此這種方法可用于測量任意尺寸的單絲。此外，由于有足夠多的液相，因此液體的蒸發(fā)對于LBM法來說根本不是問題，而對于DoF來說則是一個嚴(yán)重的問題。

        借助DoF法和LBM法，LAUDA Scientific為客戶提供了目前市場上ZJ的單一纖維測量方法，用于研究從微米級的超細(xì)纖維到毫米級的圓棒的潤濕性。借助于粉末和多孔樣品模塊（POM），超細(xì)纖維也可以作為纖維束進(jìn)行研究。

( 本文內(nèi)容得到授權(quán)所有者的授權(quán)許可)。 

荷葉（Lotus effect）具有非常好的超疏水性，因而，在取得ZH的平衡接觸角時，出現(xiàn)了明顯的彈跳效果。且如果疏水角度越大，彈跳的高度越高。且從效果影像中可以看出，此時的滾動角度非常小，水滴很容易滾動。

而這些均是我們長期研究中，我們僅僅注意了荷葉的表面結(jié)構(gòu)以及平衡態(tài)的接觸角值（平衡態(tài)的接觸角值僅僅表征了部分性質(zhì)）。在測試過程中，我們也發(fā)現(xiàn)由于荷葉的超疏水性，水滴從針頭轉(zhuǎn)移到荷葉表面會相對比較困難。目前美國科諾提供了全世界Z細(xì)的27號聚四氟乙烯針頭以及34號不銹鋼針頭，液滴轉(zhuǎn)移時量為4－5uL左右。由于滾動角（roll-off angle）非常小，所以，水滴停留的地方通常是表面有瑕疵的位置或邊緣，此時的平衡接觸角值意義不大。

由下面的影像我們認(rèn)為，從高速的角度考慮才是最合理的方案，表征超疏水效果會比一般平衡接觸角值的表征會更有意義。且，在接觸角以及界面能量的分析中，我們采用了在Young-lapalace方程擬合中增加能量（重力加速度等勢能與動能的考慮），提出了世界ling先技術(shù)的ADSA－HS技術(shù)，從而為我們進(jìn)一步探究仿生材料提供了更好的分析技術(shù)。

2、我們對比實(shí)驗(yàn)了一組普通材料的水滴滴向表面的效果，其在平衡接觸角形成前的動態(tài)效果如下所示。

很明顯的看出，此時的彈跳效果不明顯，這是由于固體表面自由能大于液滴彈跳的作用能量。且我們非常容易得到結(jié)論，固體表面能越大，其向上延展的高度就越低。

（1）空調(diào)器用超親水鋁箔的動態(tài)接觸角演變過程。ZH平衡接觸角值為3度以內(nèi)。

（2）實(shí)驗(yàn)室用載玻片接觸角演變影像。

（3）不銹鋼表面平衡態(tài)接觸角前的動態(tài)演變影像。

（4）聚四氟乙烯表面平衡態(tài)接觸角前的動態(tài)演變影像

      超疏水表面指難以被水潤濕的表面，在這種表面上水滴難以鋪展，水總是團(tuán)聚在一起。 測量液滴和材料的接觸角是評價材料表面潤濕性的主要方法，超疏水材料的接觸角甚至?xí)? 于 150°。為了全面的評價超疏水材料的潤濕性，在實(shí)驗(yàn)中有必要測量液滴的前進(jìn)角、后退 角和滾動角等動態(tài)過程。 

      使用光學(xué)接觸角測量儀測量接觸角首先需要將液滴轉(zhuǎn)移到材料表面，但是由于材料的超疏水特性，液滴總是粘附在注射針的頂端，很難轉(zhuǎn)移到材料表面。如果過分增大液滴的體積， 利用重量把液滴轉(zhuǎn)移下來，過大的液滴會增加準(zhǔn)確測量接觸角的難度。有人不得不用手指輕 彈注射針抖落液滴，這也不是規(guī)范的實(shí)驗(yàn)操作。非接觸式注液是目前解決這個問題的好方法。 

      非接觸式注液是指通過注射器上的噴嘴，利用注射泵的脈沖推射液滴，使液滴直接落到 材料表面上。這種注液方式完全避免了液滴在注射針針頭上的粘附，徹底解決了液滴轉(zhuǎn)移的 問題。 

圖 1 非接觸式注液（注射時間約 200ms） 

      在液體轉(zhuǎn)移到材料表面之后，儀器會自動拍下一張清晰的照片。為了準(zhǔn)確的計算液滴的 接觸角，我們建議使用 Laplace-Young 算法。因?yàn)樵诔杷牧仙系囊旱谓佑|角很大，呈現(xiàn) 很好的軸對稱性，在諸多接觸角計算的模型中，Laplace-Young 算法全面考慮到重力、密度 等因素對液滴形狀的影響，所以它是Z為準(zhǔn)確的測量水平的超疏水材料表面上液體接觸角的 計算方法。 

圖 2 Laplace-Young 法計算接觸角 

      為了全面的評價超疏水材料的潤濕性，除了測量液滴在在水平的材料表面上的接觸角之 外，我們往往還要測量液滴在材料傾斜表面上的前進(jìn)角、后退角、和滾動角。使用自動傾斜 臺可以方便的完成這種測量。這里需要注意到液滴處于傾斜表面上在重力作用下已經(jīng)不再對 德菲知識分享 稱，所以 Laplace-Young 法一般不再適用，此時需要使用能夠?qū)σ旱伪砻娣侄螖M合計算的一些專用方法，例如 Truedrop 算法。

圖 3 傾斜臺測量動態(tài)接觸角和滾動角

如果儀器沒有配置自動傾斜臺，那么可以考慮使用注液-吸液法測量前進(jìn)角和后退角。 在注液和吸液過程中注射針可能會偏離液滴的ZX，這時如果注射針架可以在 X/Y/Z 三軸精密移動，將會方便的調(diào)整注射針的位置，使得注射針對液滴形狀的影響降到Z小，能夠較為 準(zhǔn)確的測量前進(jìn)角和后退角的數(shù)值。 

圖 4 注液-吸液法測量動態(tài)接觸角 

Z后在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的時候，接觸角的數(shù)值變化往往和三相接觸點(diǎn)位置的變化緊密相關(guān)。 所以在動態(tài)數(shù)據(jù)圖表上Z好同時顯示接觸角的變化曲線和三相接觸點(diǎn)位置的變化曲線。這樣才能完整準(zhǔn)確的描述前進(jìn)角和后退角的形成及變化過程。

 圖 5 動態(tài)接觸角數(shù)據(jù)曲線圖 加液-減液法

（來源：北京東方德菲儀器有限公司）

       目前使用光學(xué)接觸角測量儀測量動態(tài)接觸角的方法有傾斜臺法、離心轉(zhuǎn)臺法和加液/減液法三種。

       DY種方法是傾斜臺法又稱斜板法。實(shí)驗(yàn)是將一個液滴置于待測的樣品表面后，利用傾斜臺緩慢地傾斜樣品表面，同時跟蹤并記錄液滴形狀、接觸角和位置的變化。傾斜剛開始時液滴不一定發(fā)生移動，但是形狀會發(fā)生變化，使得下方的接觸角不斷地增大，而上方的接觸角則不斷地變小，當(dāng)表面傾斜到一定角度時，液滴開始發(fā)生滾動或滑動，此時液滴下方三相接觸點(diǎn)發(fā)生運(yùn)動之前對應(yīng)的接觸角就是ZD前進(jìn)角，而液滴上方三相接觸點(diǎn)發(fā)生運(yùn)動之前對應(yīng)的接觸角就是最小后退角。當(dāng)液滴整體剛剛開始發(fā)生滾動（滑動）時的表面傾斜角，就叫滾動角（滑動角）。

       使用傾斜臺法測量動態(tài)接觸角的特點(diǎn)是不僅能測量到前進(jìn)角和后退角變化的全過程，而且能得到液滴在材料表面上的滾動角。

       第二種方法是離心轉(zhuǎn)臺法又稱滯留力天平法，實(shí)驗(yàn)是將一個液滴置于待測的樣品表面后，利用離心轉(zhuǎn)臺使液滴沿著圓周轉(zhuǎn)動，同時跟蹤并記錄液滴形狀、接觸角和位置的變化。隨著轉(zhuǎn)速的不斷增加，液滴整體受到的離心力越來越大，液滴開始發(fā)生形狀變化，并且順著旋轉(zhuǎn)半徑的方向在材料表面上滑動的趨勢越來越明顯，直到發(fā)生滑動。在形狀變化過程中外側(cè)的接觸角不斷地增大，而內(nèi)側(cè)的接觸角則不斷地變小，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到一個臨界值時，液滴開始發(fā)生整體滑動，此時液滴外側(cè)三相接觸點(diǎn)發(fā)生運(yùn)動之前對應(yīng)的接觸角就是ZD前進(jìn)角，而液滴內(nèi)側(cè)三相接觸點(diǎn)發(fā)生運(yùn)動前對應(yīng)的接觸角就是最小后退角。根據(jù)轉(zhuǎn)速和半徑計算得到的離心力就等于液滴在材料表面上的滯留力。

       使用離心轉(zhuǎn)臺法測量動態(tài)接觸角的特點(diǎn)是不僅能測量到前進(jìn)角和后退角變化的全過程，而且能得到液滴在材料表面上的滯留力。這個方法不僅適用于疏水材料也適用于親水材料。

       第三種方法是加液-減液法又稱注液-吸液法，實(shí)驗(yàn)是將一個液滴置于待測的樣品表面后，把注射針插入液滴內(nèi)部，緩慢的注射液體使液滴體積增大到一定數(shù)值，之后再緩慢的回吸液體使液滴體積減小到一定數(shù)值，同時跟蹤并記錄液滴形狀、接觸角和位置的變化。在液體注射過程中兩側(cè)的接觸角不斷地增大，直到三線接觸點(diǎn)發(fā)生移動時的亞平衡狀態(tài)。而在回吸液體的過程中兩側(cè)的接觸角則不斷地變小，直到三線接觸點(diǎn)發(fā)生移動時的亞平衡狀態(tài)。如果液體注射和回吸的速度足夠緩慢，三相接觸點(diǎn)運(yùn)動處于一個亞平衡狀態(tài)，此時得到的接觸角分別為ZD前進(jìn)角和最小后退角。

       使用加液-減液法測量動態(tài)接觸角的特點(diǎn)是能測量到前進(jìn)角和后退角變化的全過程，而且不需要額外的特殊附件，投資較低。缺點(diǎn)是液滴形狀會受到注射針的影響而導(dǎo)致接觸角計算的誤差。  

      用光學(xué)接觸角測量儀測量接觸角首先需要將液滴轉(zhuǎn)移到材料表面，但是由于材料的超疏水特性，液滴總是粘附在注射針的頂端，很難轉(zhuǎn)移到材料表面。如果過分增大液滴的體積，利用重量把液滴轉(zhuǎn)移下來，過大的液滴會增加準(zhǔn)確測量接觸角的難度。有人不得不用手指輕彈注射針抖落液滴，這也不是規(guī)范的實(shí)驗(yàn)操作。非接觸式注液是目前解決這個問題的好方法。

       非接觸式注液是指在注射器上安裝一個針嘴，通過注射泵的脈沖推射液滴，使液滴直接落到材料表面上。這種注液方式完全避免了液滴在注射針針頭上的黏附，徹底解決了液滴轉(zhuǎn)移的問題。

       非接觸式注液打破了傳統(tǒng)注射單元只能控制注射速度的局限，WM地將注射速度和注射加速度結(jié)合在一起，解決了超疏水材料接觸角測量的ZD障礙—液滴“包針”問題 。

       德國LAUDA Scientific光學(xué)接觸角測量儀采用光學(xué)懸滴分析法測量臨界膠束濃度(CMC)，CMC擴(kuò)展模塊可適配于LSA系列所有光學(xué)接觸角測量儀，基于全自動懸滴分析（faPDA）方法，可實(shí)現(xiàn)CMC全自動測量。 與市場上傳統(tǒng)的基于力學(xué)天平的方法相比，它提供了全新的測量方法和全自動測量設(shè)備，功能強(qiáng)大，操作簡單?？蓱?yīng)用于科學(xué)研究、產(chǎn)品開發(fā)和工業(yè)生產(chǎn)。

       CMC擴(kuò)展模塊主要由雙注射泵，一或兩個電磁攪拌器以及軟件包組成。

測量可以完全自動進(jìn)行而無需監(jiān)測。而且，無論出于何種原因，您都可以中斷或暫停測量過程，稍后可以再繼續(xù)測量。測量完成后，發(fā)現(xiàn)最初設(shè)置的濃度終點(diǎn)不夠高，您可以添加額外步驟以擴(kuò)展?jié)舛确秶?/p>

       通過IFT與濃度的曲線，可以輕松確定CMC值和其他相關(guān)參數(shù)。

       通過測量IFT與時間和濃度的變化關(guān)系，不僅可以確定IFT與濃度[ IFT（c）] 在準(zhǔn)平衡態(tài)（靜態(tài)）下的關(guān)系以獲得相應(yīng)的靜態(tài)CMC值，而且還可以測量在任何表面/界面形成時間點(diǎn)的IFT與濃度的相關(guān)性，以獲得全面的IFT /表面活性劑濃度/界面形成時間[ IFT（c，t）] 的關(guān)系，從而得到CMC數(shù)值與時間(界面形成時間)的曲線，即動態(tài)CMC數(shù)值曲線 CMC (t)。后者在諸如高速印刷，發(fā)泡等快速動態(tài)工業(yè)過程中極其重要。

簡單總結(jié)一下，基于faPDA的CMC模塊的一些獨(dú)特功能：

|| 全自動，無需監(jiān)測即可完成測量；

|| 可暫停、中斷，并繼續(xù)測量；

|| 終點(diǎn)濃度在測量完成后仍可擴(kuò)展；

|| 適用于各種表面活性劑；

|| 一次測量即可確定靜態(tài)CMC以及動態(tài)CMC。

技術(shù)參數(shù) :

表面/界面張力精度；準(zhǔn)確度；測量范圍：0.01%； 0.1%；10-3 – 2000 mN/m.

表面活性劑的濃度范圍：母液濃度0 –70%

濃度節(jié)點(diǎn)數(shù)：無限制

測量模式：靜態(tài)CMC，動態(tài)CMC

測量時間長度：從大約30分鐘到幾個小時（取決于參數(shù)設(shè)置）

德國LAUDA Scientific公司生產(chǎn)的視頻光學(xué)接觸角測量儀不僅可以準(zhǔn)確可靠地完成接觸角、滾動角、表面自由能和表界面張力等常用的測量任務(wù)，而且在高速動態(tài)、多功能測量方面顯示出其獨(dú)特的優(yōu)勢。

滯留力測量功能是LAUDA Scientific視頻光學(xué)接觸角測量儀獨(dú)特的標(biāo)志性測量功能。此外LAUDA Scientific光學(xué)接觸角測量儀選配相應(yīng)的附件測量模塊可以完成單一纖維接觸角測量，俯視法接觸角測量，界面擴(kuò)張流變測量，全自動臨界膠束濃度測量（CMC）等特殊任務(wù)。LAUDA Scientific光學(xué)接觸角測量儀所涉及的詳細(xì)測量功能如下：

1. 自動測量接觸角

軟件具有成像清晰度判別功能，測量接觸角時能夠自動尋找基線、自動擬合輪廓。支持捕獲氣泡法測量模式。選用程序模板操作時軟件顯示操作向?qū)?，可以完成一鍵測量。對于材料表面特殊形狀或結(jié)構(gòu)形成的彎曲基線，可使用手動模式測量。

2. 動態(tài)接觸角的測量

可以選用插針法或傾斜臺法測量前進(jìn)角和后退角，使用專用的Truedrop算法能夠更加準(zhǔn)確的測量不對稱液滴的接觸角。

3. 滯留力和動態(tài)接觸角同步測量

LAUDA Scientific光學(xué)接觸角測量儀配置滯留力旋轉(zhuǎn)臺時固體材料固定在旋轉(zhuǎn)臺之上，在快速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下置于材料表面上的液滴，受離心力驅(qū)動產(chǎn)生橫向水平滑動的趨勢，迫使液滴形狀發(fā)生變化。當(dāng)離心驅(qū)動力達(dá)到Z大滯留力數(shù)值的時候，液滴沿材料表面發(fā)生橫向水平滑動。在這一動態(tài)過程中，儀器利用視頻同步觸發(fā)技術(shù)準(zhǔn)確的抓拍到液滴形狀和位置變化的一系列照片并記錄相對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)速度，通過軟件自動處理得到滯留力數(shù)據(jù)以及前進(jìn)接觸角和后退接觸角的變化曲線和Z大值。滯留力能夠直接反映液體和固體之間界面上的相互作用力。

利用滯留力和動態(tài)接觸角同步測量功能，可以分析滑動過程中滯留力和液滴形狀變化等因素之間的相互關(guān)系。

4. 非接觸式注射功能

LAUDA Scientific光學(xué)接觸角測量儀能夠利用注射泵推進(jìn)時產(chǎn)生的脈沖推射液體，使液滴直接落到材料表面上。這種注液方式避免了液滴在注射針頭上的粘附，解決了向超疏水材料表面轉(zhuǎn)移液滴的問題。

5. 全自動傾斜臺測量滾動角

 全自動傾斜臺和視頻系統(tǒng)由軟件控制，自動記錄傾斜過程中液滴的形狀變化，傾斜角度和位置移動，自動測量滾動角、前進(jìn)角和后退角等相關(guān)參數(shù)。

6. 測量單一纖維的接觸角

單一纖維潤濕接觸角的測量經(jīng)常應(yīng)用在復(fù)合材料和特殊功能材料領(lǐng)域。不同于微升級液滴在平面材料上的接觸角測量，單一纖維測量需要特殊的理論計算方法和高放大倍數(shù)的顯微光學(xué)鏡頭等特殊附件。LAUDA Scientific視頻光學(xué)接觸角測量儀可以在同一臺儀器上完成普通平面材料和單一纖維材料的潤濕接觸角測量。

7. 記錄并分析粉末或多孔材料對液體的吸收過程

高速視頻系統(tǒng)可以完成粉末或多孔材料對液體吸收過程的連續(xù)錄像，并自動計算全過程的接觸角變化數(shù)值。
8. 俯視法測量接觸角

在已知液體表面張力和密度的前提下，LAUDA Scientific視頻光學(xué)接觸角測量儀能夠準(zhǔn)確控制液滴體積并利用俯視模塊從正上方向下對液滴成像，能精確測量三相接觸線或液滴Z大直徑處周邊線的形狀尺寸，利用Laplace-Young模型計算得到接觸角數(shù)值。

俯視法和傳統(tǒng)側(cè)視法聯(lián)用可以同時對同一液滴進(jìn)行接觸角測量。俯視法解決了凹表面接觸角和超親表面極小接觸角測量的難題，并在各向異性材料接觸角測量和多角度潤濕動態(tài)行為觀察方面具有明顯優(yōu)勢。

9. 表面能的計算和粘附功的分析

固體表面自由能測量軟件包括了多種表面自由能數(shù)值及其組成計算方法，粘附功分析軟件可以進(jìn)一步分析粘附功。涉及到一般表面、低能表面、高能表面、等離子體處理表面等實(shí)際應(yīng)用。

 
10. 雙液滴接觸角測量

在測量固體表面能的時候往往需要至少兩種不同的標(biāo)準(zhǔn)液體，LAUDA Scientific接觸角測量儀具備兩種液體同時注射，一鍵式測量接觸角的功能，這明顯提高了進(jìn)行大量固體材料表面能測量實(shí)驗(yàn)的工作效率。

11.測量表面張力

LAUDA Scientific接觸角測量儀使用懸滴法對液體的表面張力或界面張力進(jìn)行測量。測量方法符合國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 19403-3/ISO 19403-4和德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DIN 55660-3。軟件使用優(yōu)化的Young-Laplace算法全自動計算張力，具有更快的動態(tài)計算速度，與高速注射單元聯(lián)用時能對極短壽命的界面進(jìn)行動態(tài)張力測量。
12. 振蕩滴方式測量界面擴(kuò)張流變

界面擴(kuò)張流變研究是對表面活性物質(zhì)界面可溶膜實(shí)施規(guī)律性的擾動，記錄界面張力響應(yīng)，測量粘彈模量等參數(shù)，通過數(shù)據(jù)處理和理論分析，Z終獲得界面膜性質(zhì)的豐富信息。LAUDA Scientific光學(xué)接觸角測量儀既可以做液-液界面的振蕩又可以做氣-液界面的氣泡振蕩。

13. 全自動臨界膠束濃度（CMC）測量

LAUDA Scientific接觸角測量儀配置兩個連續(xù)注射單元時可使用表面張力法進(jìn)行全自動臨界膠束濃度的測量，其中一個注射單元進(jìn)行不同濃度溶液的配置，另一個注射單元連續(xù)形成液滴，測量全過程在程序自動控制下工作，而且避免使用吊片法測量時活性劑分子在鉑金片上吸附時產(chǎn)生的影響，是測量臨界膠束濃度的理想方法。

LAUDA Scientific接觸角測量儀以其強(qiáng)大的測量功能，廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)、界面化學(xué)和膠體化學(xué)等專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，是科研工作者的有力工具。

       LAUDA Scientific光學(xué)接觸角測量儀是基于視頻光學(xué)圖像分析測量原理的接觸角、表面張力/表面能、潤濕性和其它相關(guān)表面屬性的分析測量儀器，從液體在固體表面的接觸角、潤濕性的測量，到固體表面自由能的計算分析，再到液體表面/界面張力的準(zhǔn)確測定，它具有多樣化的測量性能，詳細(xì)介紹如下：

? 接觸角自動測量

      軟件具有成像清晰度判別功能，測量接觸角時能夠自動尋找基線、自動擬合輪廓。支持捕獲氣泡法測量模式。

? 動態(tài)接觸角的測量

      可以選用插針法或傾斜臺法測量前進(jìn)角和后退角，使用專用的Truedrop算法能夠更加準(zhǔn)確的測量不對稱液滴的接觸角。

? 滯留力和動態(tài)接觸角同步測量

      滯留力能夠直接反映液體和固體之間界面上的相互作用力。利用滯留力和動態(tài)接觸角同步測量功能，可以分析滯留力和液滴形狀變化等因素之間的相互關(guān)系，應(yīng)用于潤濕特征分析和液滴流體動力學(xué)研究。

? 全自動傾斜臺測量滾動角

      全自動傾斜臺和視頻系統(tǒng)由軟件控制，自動記錄傾斜過程中液滴的形狀變化，傾斜角度和位置移動，自動測量滾動角、前進(jìn)角和后退角等相關(guān)參數(shù)。

? 非接觸式注射功能

      LAUDA Scientific光學(xué)接觸角測量儀具有非接觸式注射功能，這種注液方式避免了液滴在注射針頭上的粘附，解決了向超疏水材料表面轉(zhuǎn)移液滴的問題。

? 單一纖維的接觸角測量

      LAUDA Scientific光學(xué)接觸角測量儀可以在同一臺儀器上完成普通平面材料和單一纖維材料的潤濕接觸角測量。

? 兩種方法計算粉末或多孔材料的接觸角并分析潤濕性

      I: Washburn法分析親水粉末的潤濕性并計算接觸角；

      II: 高速視頻系統(tǒng)完成粉末或多孔材料對液體吸收過程的連續(xù)錄像，并自動計算全過程的接觸角數(shù)值。

? 俯視法接觸角測量

      俯視法接觸角測量解決了凹表面接觸角和超親表面極小接觸角測量的難題，并在各向異性材料接觸角測量和多角度潤濕動態(tài)行為觀察方面具有明顯優(yōu)勢。俯視法和傳統(tǒng)側(cè)視法聯(lián)用可以同時對同一液滴進(jìn)行接觸角測量。

? 表面能的計算和粘附功的分析

      固體表面自由能測量軟件包括了多種表面自由能數(shù)值及其組成計算方法，粘附功分析軟件可以進(jìn)一步分析粘附功。

? 雙液滴接觸角測量

      LAUDA Scientific光學(xué)接觸角測量儀具備兩種液體同時注射，一鍵式測量接觸角的功能，這明顯提高了進(jìn)行大量固體材料表面能測量實(shí)驗(yàn)的工作效率

? 表面張力的測量

      LAUDA Scientific光學(xué)接觸角測量儀使用懸滴法對液體的表面張力或界面張力進(jìn)行測量。

? 振蕩滴方式測量界面擴(kuò)張流變

      LAUDA Scientific光學(xué)接觸角測量儀既可以做液-液界面的振蕩又可以做氣-液界面的氣泡振蕩。振蕩頻率 0.0005---10Hz，振蕩過程中自動進(jìn)行液滴體積補(bǔ)償，實(shí)時計算并跟蹤模量測量結(jié)果，支持變頻率振蕩。

? 全自動臨界膠束濃度(CMC)測量

      LAUDA Scientific光學(xué)接觸角測量儀配置兩個連續(xù)注射單元時可使用表面張力法進(jìn)行全自動臨界膠束濃度的測量，測量過程在程序自動控制下進(jìn)行，避免了吊片法測量時活性劑分子在鉑金片上吸附時產(chǎn)生的影響，是測量臨界膠束濃度的理想方法。

       LAUDA Scientific光學(xué)接觸角測量儀多樣化的測量功能，結(jié)合其杰出的性價比，為測量和分析各種液/流/固-界面體系提供了一款專業(yè)和通用的工具，使得其可以廣泛應(yīng)用于多個應(yīng)用領(lǐng)域，為材料科學(xué)、膠體與界面化學(xué)及液滴流體動力學(xué)等相關(guān)實(shí)驗(yàn)室提供了更加專業(yè)，更加高效的解決方案。

       在接觸角測量的專業(yè)領(lǐng)域，大家普遍認(rèn)為單純測量靜態(tài)接觸角不足以表征材料表面的潤濕特性，只有通過測量包括前進(jìn)接觸角和后退接觸角值在內(nèi)的動態(tài)接觸角才能為表征待測體系的潤濕特性提供更完整的信息。測量實(shí)際材料表面上的接觸角比估算理想表面上的接觸角更有意義。

      目前使用光學(xué)接觸角測量儀測量動態(tài)接觸角的方法有三種：

       一、斜板法，實(shí)驗(yàn)是將一個液滴置于待測的樣品表面后，利用傾斜臺緩慢地傾斜樣品表面，同時跟蹤并記錄液滴形狀、接觸角和位置的變化。

       二、離心旋轉(zhuǎn)臺法（即滯留力天平法），實(shí)驗(yàn)是將一個液滴置于待測的樣品表面后，利用離心旋轉(zhuǎn)臺使液滴沿著圓周轉(zhuǎn)動，同時跟蹤并記錄液滴形狀、接觸角和位置的變化。

       三、加液-減液法，實(shí)驗(yàn)是將一個液滴置于待測的樣品表面后，把注射針插入液滴內(nèi)部，緩慢的注射液體使液滴體積增大到一定數(shù)值，之后再緩慢的回吸液體使液滴體積減小到一定數(shù)值，同時跟蹤并記錄液滴形狀、接觸角和位置的變化。

       三種方法測量動態(tài)接觸角的特點(diǎn)總結(jié)如下：

       斜板法測量動態(tài)接觸角的特點(diǎn)是不僅能測量前進(jìn)角和后退角變化的全過程，而且能得到液滴在材料表面上的滾動角。

       滯留力天平法測量動態(tài)接觸角的特點(diǎn)是不僅能測量到前進(jìn)角和后退角變化的全過程，而且能得到液滴在材料表面上的滯留力。這個方法既適用于疏水材料也適用于親水材料。

       加液-減液法測量動態(tài)接觸角的特點(diǎn)是能測量到前進(jìn)角和后退角變化的全過程，而且不需要額外的特殊附件，投資較低，缺點(diǎn)是液滴形狀會受到注射針的影響而導(dǎo)致接觸角計算的誤差。

使用接觸角測量儀，對于一個樣品的接觸角測量，可以實(shí)現(xiàn)如下的自動控制：

a. 加液的自動控制：加液速度/體積/體積范圍/到達(dá)各個體積點(diǎn)后的延遲時間控制等；

b. 液滴轉(zhuǎn)移：指定體積的液體或形成的指定體積的液滴必須自動地轉(zhuǎn)移到樣品表面；

c. 液滴出現(xiàn)/形成在固體表面的自動檢測：這樣可以自動地將液滴壽命歸零，這對動態(tài)測量非常重要；

d. 自動確定液滴在固體表面的基線（baseline）位置：這是影響隨后的接觸角測量準(zhǔn)確度的關(guān)鍵步驟；

e. 在指定的時間點(diǎn)自動地啟動測量：包括液滴輪廓的自動檢測，對輪廓的自動分析和計算；

f. 自動結(jié)束測量：當(dāng)對當(dāng)前液滴的測量完成后，自動終止測量，為下一個測量作好準(zhǔn)備；

g. 必要時，自動移動到下一個樣品位置：這可以通過移動樣品，或者通過移動儀器的測量裝置部分（measuring head），來實(shí)現(xiàn)；

h. 其中還可能包括對測量所需要的其它硬件組件的自動控制，如自動控制傾斜臺、樣品升降臺、樣品或量裝置位移軸等。

       當(dāng)將表面活性劑連續(xù)添加到溶液中時，溶液的某些物理性質(zhì)，例如表面張力、電導(dǎo)率等，會隨著溶液中表面活性劑濃度的增加而明顯變化。這些變化是由于游離表面活性劑分子的增加導(dǎo)致的，游離表面活性劑分子以游離物質(zhì)的形式存在于溶液中和/或吸附在表面/界面層。開始時，添加的表面活性劑分子優(yōu)先吸附在表面/界面上，以減小表面/界面（以及整個系統(tǒng)）的自由能；隨著濃度繼續(xù)增加，表面活性劑分子的表面/界面覆蓋率逐漸接近其飽和度。當(dāng)表面活性劑濃度達(dá)到這個水平時，額外添加的表面活性劑分子開始在溶液中自發(fā)形成膠束，以降低系統(tǒng)的總能量。臨界膠束濃度（CMC）是膠束開始形成、并且所有額外添加的表面活性劑都會形成膠束的，那一點(diǎn)的表面活性劑濃度。

       在到達(dá)CMC之前，表面張力受表面活性劑濃度的強(qiáng)烈影響。達(dá)到CMC之后，即便進(jìn)一步增加表面活性劑的濃度，表面張力也相對穩(wěn)定。CMC是用于測量和表征表面活性劑的重要參數(shù)，必須通過實(shí)驗(yàn)來確定。 其值還取決于溫度、壓力以及其他表面活性物質(zhì)和電解質(zhì)的存在。通常采用篩選程序來尋找到特定條件下的ZJ配方。

       在可用于測定CMC的方法中，最常用的是基于表面/界面張力（IFT）測量的方法。通常使用基于Du Noüy環(huán)法或Wilhelmy板法的力學(xué)張力儀，來測定IFT。然而，無論是Wilhelmy板法還是Du Noüy環(huán)法都不適合于測量含有表面活性劑的溶液。板法遇到的問題是表面活性劑分子會吸附在Wilhelmy板金屬（通常是鉑金）表面上，這會引起明顯的測量誤差，甚至可能會影響溶液中表面活性劑的濃度。環(huán)法原則上僅適用于單組分（即純凈）液體。當(dāng)樣品包含表面活性劑時，通常難以徹底清潔環(huán)，此外，也不可能獲得與特定的動態(tài)或平衡狀態(tài)相對應(yīng)的表面張力值。

       與這些傳統(tǒng)方法形成鮮明對比的是，LAUDA Scientific光學(xué)接觸角測量儀采用光學(xué)懸滴分析(PDA)法測量臨界膠束濃度(CMC)，光學(xué)懸滴分析方法在準(zhǔn)確性、可靠性、方便性和對包含各種表面活性劑的溶液的適用性，以及自動化程度方面，都顯示出明顯的優(yōu)勢。這是與測定CMC有關(guān)的一些功能：

1) 較高的JD和相對精密度：0.1%（JD）或0.01%（相對）；

2) 非常廣泛的測量范圍：從約10-3到幾千mN/m；

3) WM的適用于測量表面和界面張力；

4) 涵蓋了一個巨大的時間跨度：從界面形成后不久（約50毫秒）到幾乎無限。所有與時間相關(guān)的（IFT）值都可以從單個液滴/界面獲得； 

5) 形成的液體界面與固體載體表面之間的接觸面積很?。珊雎裕@大大減少了由于表面活性劑分子吸附到固體表面上而引起的問題；

6) 可進(jìn)行全自動測量：全自動懸滴分析（faPDA）。