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接触角测量仪的基本原理与应用

来源：测试GO 时间：2021-01-21 21:36:11 浏览：12704次

1引言

接触角是一项表征液体在固体表面润湿的重要参数，由其可以了解液体在一定固体表面的润湿程度。所谓接触角是指在气、液、固三相交点处所作的气-液界面的切线，此切线在液体一方的与固-液交界线之间的夹角θ。而接触角测量仪，主要用于测量液体与固体之间的接触角，即液体对固体的浸润性。该仪器能测量各种液体对各种材料的接触角，对石油、印染、医药等行业的科研生产有非常重要的作用。

2接触角的测定与计算方法

2.1接触角的测量方法

测量接触角的方法有多种，主要分为以下两类：一类是直接法，即直接测量接触角的大小，其精度由测角器所决定；另一类是间接法，即通过其它物理量（长度、质量）的测定以及该物理量与接触角之间的定量关系来计算出接触角的大小，其精度由测定长度或质量的仪器精度以及它们间的定量关系式的准确度共同决定。相关介绍如下：

a)直接测量法：作为广泛使用的方法，该法将液滴直接滴在固体表面上，直接或先拍下照片后再用量角器定接触角。若固体是板条则可采用斜板法测定：将试样板浸入液体中，缓慢使试样板倾斜至板面一边的液体呈水平，插入液体部分的板面与液面所成的角即为接触角。

b)长度测量法：直接法测量时往往要先确定切线的位置，较难做到准确。而长度测量法则是将液体滴在固体表面上并拍下照片，测定液滴与平面接触面的半径和其高度。该法有利于避免直接测量法存在的弊处。

c)重量测量法：对于固体粉末，先将其压制成一多孔塞，测定将液体压入（不润湿固体粉末）或者压出（润湿固体粉末）时所需的压力，则可计算出来。

2.2接触角的计算方法

目前计算接触角的方法主要有以下四类：

a)切线法：用量角器测量，精度不准，误差大，为最传统的方法；

b)宽高法：又称θ/2法或圆环法，适用于测量小于20˚的接触角；

c)椭圆法：适用于不同角度的触角测量；

d)L-Y法：即Laplace/Young法，适用于测量大于120˚的接触角。

3接触角测量仪简介

作为测量接触角的仪器，接触角测量仪的应用相对广泛，接下来对其进行简要介绍：

3.1接触角测量仪的组成

接触角测量仪主要由光源、样品台、镜头、图像采集系统和进样系统组成，如图1所示。

图1

3.2接触角测量仪的操作流程

接触角的测试过程主要包括以下步骤：a)放置样品；b)电动注射液滴；c)上升样品平台接液滴；d)固体样品接触到液滴；e)下降样品平台；f)拍照；g)分析获得结果。

4接触角测量仪的工作原理

恒温恒压下，用接触角测量仪本身附带的注射器针头将一滴待测液体滴在固体基质上。液滴会贴附在基质表面上，其间的相关作用力如图2所示：固体与气体之间的表面张力记为γSV，液体与气体之间的表面张力为γLV，固体与液体之间的表面张力为γSL。按照接触角（θ）的定义，其可以根据杨氏公式γSV-γSL=γLVcosθ求出大小量值。

4.1接触角测量仪的工作原理

注其中，当θ=0˚时，为完全润湿状态；θ＜90˚，这时产生粘附润湿；θ＞90˚，为不润湿状态；θ=180˚时，则为完全不润湿状态；因此接触角越小，润湿性越好。

图2

接触角测量仪工作时，当液体与固体基底接触时，会投射出一个阴影，此时投影屏幕千分计会使用光学放大作用将影像投射到屏幕上以进行测量，如图3所示。这个投影屏幕千分计带有一个可调式标本夹，能够在垂直方向或轴向上对准图像；通过滑动屏幕可在水平方向上调整图像；锁定旋钮可将投影液滴固定在位。

图3

4.2接触角测量仪的测量原理

当固体板插入液体时，只有板面与液体的夹角恰好为接触角时液面才直平伸至三相交界处，不出现弯曲；否则，液面将出现弯曲现象。因此，改变板的插入角度直至液面三相交界处附近无弯曲，此时板面与液面的夹角即为接触角。

5接触角测量仪的应用

5.1接触角测量仪的作用

简单来说，接触角测量仪解决了液-固-气三相之间的所有问题，

简要概括如下：

a)液-固接触角（外相为气体）；

b)固体表面自由能（固-气两相）；

c)悬滴法测液体表面张力（液-气两相）；

d)加选配件可测液-液-固三相接触角（外相为液体）；

e)加选配件可测液-液界面张力。

5.2接触角测量仪的应用

接触角测量仪主要用于研究液体对固体的浸润性。随着技术的发展，接触角测量仪产品类型也逐渐多样化，产品技术也更加成熟化，其应用范围也在不断扩大，主要概括如下：

a)玻璃、液晶屏、触控屏等表面处理效果和清洁度检测；

b)薄膜、织物、纸张等表面吸附/吸收过程分析；

c)清洁剂如肥皂、洗涤剂等表(界)面张力分析；

d)偏光片、胶片、眼镜片等表面润湿性和吸附性分析；

e)表面活性剂如化妆品、乳液、石油等分析与应用；

f)纳米材料与不同活性剂间湿润性的测定与研究；

g)亲水铝箔、岩芯、矿物、沥青、绝缘子等润湿性行为分析；

h)医药、食品、聚合物等表面竞争、吸附和浸透性分析；

i)印刷、镀膜、电镀和上漆等表面附着力检测；

j)粘贴剂与固体间的粘接程度研究与检测；

k)喷雾、油漆、涂料和油墨等配方设计和润湿性分析；

l)清洗行业的清洗效果检测；

m)晶圆、封装基板、LED、高精密部件等有机污染检测；

n)纤维、碳纤维、玻璃纤维和树脂等表征分析。

张立峰等人在《太阳能级多晶硅的精炼方法》一书中提及使用接触角测量设备来研究高温下硅在石墨基板和SiC基板上不同时间下的润湿行为，结果如图4所示，从中可以看出，硅与这两种材料均润湿性良好。

图4

胡淑芬等人使用KrussDSA100接触角测量仪采用液滴形状光学测量法对竹纤维进行接触角测试，它通过脉冲将10pL体积的超纯水液滴喷射到已固定在样品台上的水平伸直的单纤维上，CCD记录液滴与纤维接触全过程，采用量角法计算单纤维的静态接触角，结果如图5所示。

图5

6参考文献

[1]金丽萍,邬时清,陈大勇.物理化学实验-第2版[M].华东理工大学出版社,2005.

[2]余节约.包装胶印1000问[M].印刷工业出版社,2004.

[3]单静影,武冬梅,李清源,等.简易接触角测量仪的建立[J].佳木斯医学院学报,1995(04):72.

[4]张立峰,李亚琼.太阳能级多晶硅的精炼方法[M].冶金工业出版社,2017.

[5]胡淑芬,王越平.竹纤维的接触角测试与评价[J].纺织导报,2015(2).

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