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- 接觸角及接觸角測量方法
接觸角是指在氣、液、固三相交點處所作的氣-液界面的切線在液體一方與固-液交界線之間的夾角θ。這一角度的值標志著液體在固體表面的潤濕性:當潤濕性很好時,液體可以在固體表面完全鋪展開,呈現(xiàn)0°的接觸角值;當潤濕性很差時,液體在固體表面完全無法鋪展,只能聚集在一起而包成一團,呈現(xiàn)180°的接觸角值;當潤濕性界于很好與很差之間時,液體在固體表面可以有限度地鋪展開來,形成介于 0°~ 180°之間的接觸角。
測量液體在固體表面接觸角一般有二種方法:天平稱量法和光學法。
一、天平稱量法是一種間接測量接觸角的方法,是薄板法表面張力測量儀的副產物。這一方法只適用于幾何形狀規(guī)則的固體表面(如圓柱體和長方形薄板),而且測量的也只能是整個接觸周邊表面上的平均接觸角值,不能只限于測量其中的一個面。
二、光學法是建立在直接觀測液滴在固體表面的接觸角的測量法,是一種直接測量法。它幾乎不受固體表面幾何形狀和尺寸的限制,適用性廣,測量模式眾多,而且測量多可在與實際應用相同或相似的條件下進行。自從引入了相機和數(shù)字圖像處理后,視頻光學法不但大大提高了測量的自動化程度和速度,減少了人為主觀因素的影響,而且使得測量的精度和準確性也獲得大幅度提高。
相比較而言,應用廣泛、測量直接與準確的接觸角測量方法是光學接觸角測量法。
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- 接觸角的測量方法
- 液固表面
- 接觸角的測量方法及其應用
接觸角(contact angle)是指在氣、液、固三相交點處所作的氣-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,是衡量該液體對材料表面潤濕性能的重要參數(shù)。若θ<90°,則固體表面是親水性的,即液體較易潤濕固體,其角越小,表示潤濕性越好;若θ>90°,則固體表面是疏水性的,即液體不容易潤濕固體,容易在表面上移動。
測量液體在固體表面的接觸角一般有二種方法:天平稱量法和光學法。
1. 天平稱量法是間接測量法,這一方法只適用于幾何形狀規(guī)則的固體表面(如圓柱體和長方形薄板),而且測量的也只能是整個接觸周邊表面上的平均接觸角值,不能只限于測量其中的一個面。
2. 光學法是建立在直接觀測液滴在固體表面的接觸界面的測量法,是一種直接測量法。它幾乎不受固體表面幾何形狀和尺寸的限制,適用性廣,測量模式眾多,而且測量多可在與實際應用相同或相似的條件下進行。
接觸角測量不僅可用于常見的材料表面性能的表征, 而且在石油工業(yè)、浮選工業(yè)、醫(yī)藥材料、芯片產業(yè)、低表面能無毒防污材料、油墨、化妝品、農藥、印染、造紙、織物整理、洗滌劑、噴涂、污水處等領域也有著重要的應用。
- 動態(tài)接觸角的三種測量方法
目前使用光學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。實驗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發(fā)生運動之前對應的接觸角就是ZD前進角,而液滴上方三相接觸點發(fā)生運動之前對應的接觸角就是最小后退角。當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)接觸角的特點是不僅能測量到前進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臺法又稱滯留力天平法,實驗是將一個液滴置于待測的樣品表面后,利用離心轉臺使液滴沿著圓周轉動,同時跟蹤并記錄液滴形狀、接觸角和位置的變化。隨著轉速的不斷增加,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的接觸角不斷地增大,而內側的接觸角則不斷地變小,當轉速達到一個臨界值時,液滴開始發(fā)生整體滑動,此時液滴外側三相接觸點發(fā)生運動之前對應的接觸角就是ZD前進角,而液滴內側三相接觸點發(fā)生運動前對應的接觸角就是最小后退角。根據(jù)轉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。
使用離心轉臺法測量動態(tài)接觸角的特點是不僅能測量到前進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,實驗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的接觸角不斷地增大,直到三線接觸點發(fā)生移動時的亞平衡狀態(tài)。而在回吸液體的過程中兩側的接觸角則不斷地變小,直到三線接觸點發(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,三相接觸點運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)接觸角的特點是能測量到前進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。缺點是液滴形狀會受到注射針的影響而導致接觸角計算的誤差。
- 勞達科學接觸角測量儀之動態(tài)接觸角的測量方法
LAUDA Scientific(勞達科學)光學接觸角測量儀測量動態(tài)接觸角的方法有三種,分別為傾斜臺法、離心轉臺法和加液/減液法,其方法詳情和特點如下:
一、傾斜臺法,又稱斜板法:實驗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,但是形狀會開始發(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發(fā)生運動之前對應的接觸角就是大前進角,而液滴上方三相接觸點發(fā)生運動之前對應的接觸角就是小后退角。當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)接觸角的特點是不僅能測量到前進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。
二 、離心旋轉臺法,又稱滯留力天平法,是LAUDA Scientific光學接觸角測量儀特有的動態(tài)接觸角測量方法:實驗是將一個液滴置于待測的樣品表面后,利用離心旋轉臺使液滴沿著圓周轉動,同時跟蹤并記錄液滴形狀、接觸角和位置的變化。隨著轉速的不斷增加,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的接觸角不斷地增大,而內側的接觸角則不斷地變小,當轉速達到一個臨界值時,液滴開始發(fā)生整體滑動,此時液滴外側三相接觸點發(fā)生運動之前對應的接觸角就是大前進角,而液滴內側三相接觸點發(fā)生運動前對應的接觸角就是小后退角。根據(jù)液滴體積、轉速和旋轉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。
使用離心轉臺法測量動態(tài)接觸角的特點是不僅能測量到前進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。
三、加液-減液法,又稱注液-吸液法:實驗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。在液體注射和回吸過程中兩側的接觸角不斷地變化,三線接觸點同時發(fā)生移動。如果液體注射和回吸的速度足夠緩慢,三相接觸點運動接近一個亞平衡狀態(tài),過程中可以得到大前進角和小后退角。
使用加液-減液法測量動態(tài)接觸角的特點是能測量到前進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。缺點是液滴形狀會受到注射針的影響而導致接觸角計算的誤差。
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