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接觸角測量儀的基本原理與應(yīng)用

更新時間:2025-07-04點擊次數(shù):111
 什么是接觸角





當(dāng)水滴落在荷葉上形成滾圓的珠狀(接觸角>150°),而滴在玻璃表面鋪展開來(接觸角≈30°),這個神奇的角度差異就是接觸角。當(dāng)一滴液體滴在固體表面時,在汽、液、固三相交點處,氣-液界面和固-液界面切線之間的夾角即為接觸角(如圖1所示),用θ表示。它如同材料的"指紋",能揭示表面能、潤濕性等關(guān)鍵特性。

接觸角示意圖 


                             圖1  接觸角示意圖
測試原理





接觸角測量儀的其主要原理是通過水平放置的光學(xué)鏡頭從側(cè)面拍攝液滴的圖像,通過「光學(xué)成像 + 數(shù)學(xué)建模」,將液滴邊緣的幾何形態(tài)轉(zhuǎn)化為量化角度數(shù)據(jù),然后利用計算機(jī)進(jìn)行圖像分析并擬合出液滴輪廓,進(jìn)而求出接觸角。核心流程:‌液滴生成 → 光學(xué)捕捉 → 輪廓分析 → 角度計算

設(shè)備簡介







圖2 接觸角測量儀

 

接觸角測量儀應(yīng)用





1.接觸角:是氣、液、固三相交界處的氣-液界面和固-液界面切線之間的夾角。有靜態(tài)接觸角(圖3a)、動態(tài)接觸角(圖3b和圖3c)之分。

靜態(tài)接觸角(a);動態(tài)接觸角(b,c)


圖3 靜態(tài)接觸角(a);動態(tài)接觸角(b,c)

 



2.靜態(tài)接觸角的變化:靜態(tài)接觸角會因長時間接觸空氣蒸發(fā)或固體表面孔隙吸收出現(xiàn)接觸角的變化(圖4 所示)。

靜態(tài)接觸角隨時間變化

 


 

圖4 靜態(tài)接觸角隨時間變化:(a) 0 min;(b) 5 min;(c) 10 min  (d) 20 min

3.滾動角:是測量材料表面潤濕性的方法(圖5 所示)

滾動角


 

圖5 滾動角0°~90°

4. 表/界面張力:液體表面層由于分子引力不均衡而產(chǎn)生的沿表面作用于任一界線上的張力,阻止液滴分裂的能力。

                                                              懸滴法-液體的表/界面張力                                                       捕泡液滴-兩種液體的界面張力

 


如何正確的測量靜態(tài)接觸角





1. 測試平臺盡量水平。

一般安裝完畢后不要移動儀器,如有移動,可重新調(diào)整水平;

2. 樣品測試環(huán)境影響盡量保持一致性。

如樣品在實驗室條件((23±2)℃ ,相對濕度(50±5) %)調(diào)節(jié)40 h以上。

3. 水/液體

使用蒸餾水或者超純水。如其他液體盡量使用純度高的液體。

4. 針管

一般使用24G平頭針頭。為測超大接觸角可使用涂層針頭。

5. 液滴大小

建議使用1 μL~4 μL 水滴,水不超過10 μL。對于特殊材料如紙尿褲或者衛(wèi)生巾, 測試體積必須超3 μL 。

6. 選擇正確的擬合曲線

7. 測量次數(shù)和計算

連續(xù)測試10次取平均值(需含左右接觸角或左右平均接觸角),并作標(biāo)準(zhǔn)偏差。

8. 儀器計量與驗證

按國家標(biāo)準(zhǔn)或同等級別的方法計量。推薦使用可溯源圖形樣片校驗儀器。

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