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接触角测量技术对比：悬滴法、座滴法与Wilhelmy板法

来源：时间：2025-04-14 09:21:34 浏览：1088次

接触角测量技术对比：悬滴法、座滴法与Wilhelmy板法

接触角测量作为评估表面润湿性的重要手段，在材料科学、化学工程、生物医学等多个领域发挥着关键作用。准确的接触角数据对于理解液体在固体表面的行为、优化材料表面性能以及开发新型功能材料具有重要意义。在众多接触角测量技术中，悬滴法、座滴法与Wilhelmy板法因其独特的原理和优势，成为最常用的方法。

一、技术概述

接触角是指在气、液、固三相交界处，气—液界面和固—液界面切线之间的夹角，它是量化液体对固体表面润湿性的重要参数。当液滴自由地处于不受力场影响的空间时，由于界面张力的存在而呈圆球状。但是，当液滴与固体平面接触时，其最终形状取决于液滴内部的内聚力和液滴与固体间的粘附力的相对大小。当一液滴置于固体平面上时，液滴能自动地在固体表面铺展开来，或与固体表面成一定的角度而存在，这个角度就是接触角。通过接触角的大小可以评价表面润湿性、处理工艺、洁净度等参数，在石油、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都有广泛的应用。

二、悬滴法

（一）原理

悬滴法是在没有固体表面的情况下，利用液体在重力作用下的自然形态来测量接触角。将液体悬挂在一根细管末端，形成液滴，通过改变液滴的体积或观察角度，利用图像分析技术测量液滴的轮廓，进而根据杨氏方程计算接触角。杨氏方程是描述固体表面润湿性的基本方程，它考虑了液体表面张力、固体表面张力和液—固界面张力之间的平衡关系。

（二）优点

悬滴法的主要优点是避免了固体表面不均匀性带来的干扰，能够更准确地反映液体本身的物理特性。在测量过程中，液体处于自由悬挂状态，不受固体表面微观结构的影响，因此可以获得较为纯净的接触角数据。此外，悬滴法还可以通过改变液滴的体积或观察角度，研究接触角随液滴形态变化的关系，为深入理解液体在固体表面的润湿行为提供更多的信息。

（三）缺点

悬滴法的缺点是操作相对复杂，需要精确控制液体的体积和滴落高度。液滴的形成和悬挂过程受到多种因素的影响，如液体的粘度、表面张力、细管的直径和材质等，这些因素都需要进行精确的控制和校准。此外，悬滴法对实验环境的要求较高，需要避免气流、振动等因素对液滴形态的影响，以确保测量结果的准确性。

（四）适用场景

悬滴法适用于对液体本身物理特性要求较高、需要避免固体表面干扰的接触角测量。例如，在研究液体的表面张力、粘度等物理性质对接触角的影响时，悬滴法可以提供准确的数据。此外，在一些特殊的材料表面研究中，如超疏水表面、超亲水表面的制备和表征，悬滴法也可以用于评估液体在这些表面上的润湿行为。

三、座滴法

（一）原理

座滴法是将液滴放置在固体表面上，通过观察其形状变化来测量接触角。将液滴滴在固体样品上，液滴的图像由高分辨率相机拍摄，然后由软件自动测量角度。当液滴处于平衡状态时，其形状由液体的表面张力、固体表面的润湿性和重力等因素共同决定。通过分析液滴的轮廓，利用图像处理算法可以计算出接触角的大小。

（二）优点

座滴法操作简便，容易实现。只需将液滴放置在固体表面上，即可通过光学系统观察和测量接触角。由于液滴很容易放置在样品表面，且分析完全是由软件完成的，因此座滴法是最快速的接触角测量方法之一。此外，座滴法还可以用于测试固体表面自由能。由于没有方法可直接测试表面自由能，需要采用座滴法测试不同液体在表面的接触角，使用接触角数值建模计算固体表面自由能。

（三）缺点

座滴法可能会受到固体表面不均匀性的影响，导致测量结果出现误差。固体表面的微观结构、化学组成、粗糙度等因素都会影响液滴在其上的润湿行为，从而使接触角的测量结果产生偏差。此外，液滴的体积大小也会影响接触角测量精度。较小的液滴容易受到表面张力的影响，形状不稳定；较大的液滴则可能会受到重力的影响，导致接触角的测量值不准确。

（四）适用场景

座滴法适用于各种固体材料表面接触角测量，特别是在需要快速、简便地评估表面润湿性的场景中。例如，在涂料行业，可以用座滴法判断涂料对基底的附着性；对于纺织品，可以了解其防水透气性能；在制药领域，可以辅助研究药物与载体的相互作用。此外，座滴法还可以用于材料研发、质量控制等方面的表面润湿性评估。

四、Wilhelmy板法

（一）原理

Wilhelmy板法基于测量部分浸入液体中的板上的力来计算接触角。Wilhelmy板是指具有一定尺寸的薄板，通常用于分别测量气液界面或液液界面之间的表面或界面张力。当板部分浸入液体中时，作用在板上的力可以表示为F=Pγcosθ+ρgAh，其中P是板的周长，γ是液体的表面张力，ρ是液体的密度，A是板的表面积，h是浸润深度，g是重力常数。等式右侧的第一项由润湿力引起，第二项由浮力引起。通过测量作用在板上的力，并结合已知的液体表面张力和板的几何参数，可以计算出接触角θ。

（二）优点

Wilhelmy板法具有测量精度高、适用范围广的优点。该方法可以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。此外，Wilhelmy板法原则上可以用来测量任何几何形状的表面，只要可以准确测量其和液体润湿时的总周长，并且这一值在样品移动过程中保持不变（或者可以预先知道其变化函数关系）。

（三）缺点

Wilhelmy板法对样品的形状和尺寸有一定的要求。对于具有不规则形貌的样品表面，很难确定/测量其润湿时的总周长，因此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。此外，Wilhelmy板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。

（四）适用场景

Wilhelmy板法适用于需要高精度测量接触角、研究液体在固体表面动态润湿行为的场景。例如，在材料科学领域，可以用Wilhelmy板法研究材料的表面改性对其润湿性的影响；在化学工程领域，可以用于研究液体在多孔材料中的渗透和润湿行为；在生物医学领域，可以用于研究生物材料与生物液体的相互作用。

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