接觸角功能原理及測(cè)量方法

接觸角測(cè)量?jī)x是一種專門用于測(cè)量液體在固體表面上形成的接觸角的精密儀器。接觸角是衡量液體在固體表面潤(rùn)濕性的關(guān)鍵物理參數(shù)，它提供了關(guān)于固體表面能、液體表面張力以及固-液界面相互作用的重要信息。

核心功能與原理

1.  定義接觸角： 接觸角 (θ) 是在固-液-氣三相接觸點(diǎn)處，沿液滴輪廓所作的切線與固體表面之間的夾角。

2.  測(cè)量原理：

儀器通常在受控環(huán)境下（溫度、濕度）工作。

將一滴精確體積的測(cè)試液體（通常使用去離子水，也可用其他液體）通過(guò)微量注射器或自動(dòng)滴液系統(tǒng)，小心地沉積在清潔、平整的固體樣品表面上。

使用高分辨率的光學(xué)系統(tǒng)（CCD或CMOS相機(jī)）配合均勻的背光或前光光源，捕捉液滴在固體表面的側(cè)面輪廓圖像。

 圖像分析軟件通過(guò)識(shí)別液滴輪廓、基線（固體表面）以及三相接觸點(diǎn)，應(yīng)用選定的數(shù)學(xué)模型（如切線法、圓擬合法、橢圓擬合法、Young-Laplace方程擬合法等）自動(dòng)計(jì)算接觸角的值。

儀器主要組成部分

1. 光源系統(tǒng)：提供均勻、穩(wěn)定的照明（通常是LED冷光源），確保液滴輪廓清晰銳利，對(duì)比度高。常見(jiàn)的有背光源和前光源。

2. 樣品臺(tái)：可精密調(diào)節(jié)位置（X, Y, Z軸平移，有時(shí)帶傾斜和旋轉(zhuǎn)功能）的平臺(tái)，用于放置和定位待測(cè)樣品?？赡軒в袦乜匮b置。

3. 液體注射單元：

手動(dòng)注射器：操作者手動(dòng)控制液滴形成。

 自動(dòng)注射系統(tǒng)：由步進(jìn)電機(jī)或壓電陶瓷精確控制，實(shí)現(xiàn)液滴體積的精準(zhǔn)控制和自動(dòng)滴定（對(duì)動(dòng)態(tài)測(cè)量尤其重要）。

4. 圖像采集系統(tǒng)：高分辨率數(shù)碼相機(jī)（通常配備長(zhǎng)工作距離顯微鏡頭）用于捕捉液滴圖像。

5. 環(huán)境腔（可選但重要）：用于控制測(cè)量環(huán)境的溫度、濕度或氣氛（如惰性氣體），減少環(huán)境波動(dòng)對(duì)結(jié)果的影響，尤其對(duì)揮發(fā)性液體或敏感材料至關(guān)重要。

6. 圖像分析軟件：儀器的核心大腦。負(fù)責(zé)：

圖像處理（降噪、邊緣檢測(cè)、基線識(shí)別）。

應(yīng)用數(shù)學(xué)模型計(jì)算接觸角（左接觸角、右接觸角、平均接觸角）。

計(jì)算表面自由能及其分量（通過(guò)OWRK, Fowkes, van Oss-Chaudhury-Good等理論模型）。

進(jìn)行動(dòng)態(tài)接觸角分析（前進(jìn)角、后退角、滾動(dòng)角、接觸角滯后）。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析、報(bào)告生成。

主要測(cè)量方法

1. 靜滴法：最常用。測(cè)量靜止液滴在固體表面的接觸角。適用于大多數(shù)平整表面。

2. 懸滴法：測(cè)量懸掛在注射針尖的液滴的輪廓，主要用于測(cè)量液體的表面張力/界面張力，但也可間接用于粉末或纖維等不規(guī)則樣品的表觀接觸角估算（需特殊樣品臺(tái)）。

3. 捕獲氣泡法：在浸沒(méi)于液體中的固體表面上捕獲一個(gè)氣泡，測(cè)量氣泡與固體表面的接觸角。適用于測(cè)量疏水性極強(qiáng)的表面（如在水下）。

4. 動(dòng)態(tài)接觸角測(cè)量：

傾斜板法：逐漸傾斜樣品臺(tái)，直到液滴開(kāi)始滾動(dòng)，測(cè)量滾動(dòng)發(fā)生時(shí)的前進(jìn)角、后退角和滾動(dòng)角。

增減液滴體積法：在固定位置通過(guò)自動(dòng)注射系統(tǒng)緩慢增加或減少液滴體積，測(cè)量前進(jìn)角和后退角。