全自動型接觸角與楊氏方程

液體滴于固體表面上，隨著液體性質(zhì)的不同，液體或鋪展而覆蓋固體表面，或形成一液滴停于其上。如下圖所示。我們把液體與固體平面所形成的液滴的形狀用接觸角（contact angle）來描述。準確的接觸角是在固、液、氣三相交界處，自固液界面經(jīng)液體內(nèi)

部到氣體界面的夾角，通常以θ來表示。接觸角是分析此式最早是T.Young在1805年提出的，常稱為楊氏方程。這是潤濕的基本公式，亦稱為潤濕方程，可以看作是三相交界處三個界面張力平衡的結(jié)果。此關(guān)系式適用于三相交界處固液、固氣界面共切線體系。具體應(yīng)用中，我們把接觸角大小作為評判潤濕性的重要指標。通常接觸角越小，潤濕性也就越好。習(xí)慣上，我們把θ=90°定義為潤濕與否的標準。我們把θ＞90°為不潤濕；θ＜90°為潤濕，平衡接觸角。

  接觸角的計算與測量方法

一. 接觸角的計算方法

對于理想的平面固體表面，當(dāng)液滴在表面達平衡后。只有一個符合Young方程的接觸角。但實際固體表面是非理想的，因而會出現(xiàn)滯后現(xiàn)象，致使接觸角的測量往往很難重復(fù)。但經(jīng)過精心制備和處理的表面，有可能得到較重復(fù)的數(shù)據(jù)，特別是高分子的表面。表面的制備和處理的目的是要得到較光滑、干凈的理想表面，但具體的工藝因樣品而異，這里不作更多的介紹。這里主要介紹一些常用的接觸角測定方法，它們都是針對氣—液—固體系的接觸角而設(shè)計的。但其中有些方法，只需略加修改，亦適用于液—液—固體系接觸角的測定。測定接觸角有多種方法，可根據(jù)直接測定物理量分為四類：⑴靜滴法（角度測量法）、⑵高度、長度測量法⑶力測法⑷透過測量法。前三種適用于連續(xù)的平滑固體表面，后一種方法可用于粉末固體表面接觸角的測定。

（一）量角法

液滴角度測量法是測量接觸角的方法之一，如圖3（a，b）所示。該方法是將固體表面上的液滴，或?qū)⒔胍后w中的固體表面上形成的氣泡投影到屏幕上，然后直接測量切線與相界面的夾角，直接測量接觸角的大小。

圖3   量角法示意圖

如果液體蒸氣在固體表面發(fā)生吸附，影響固體的表面自由能，則應(yīng)把樣品放入帶有觀察窗的密封箱中，待體系達平衡后再進行測定。此法的優(yōu)點是：樣品用量少，儀器簡單，測量方便。準確度一般在土1^o左右。

（二）量高法

如果液滴很小，重力作用引起液滴的變形可以忽略不計，這時的躺滴可認為是球形的一部分，如圖4所示。接觸角可通過高度的測量按下式計算：

式中h是液滴高度，d是滴底的直徑。若液滴體積小于10^-4mL，此方法可用。若接觸角小于90^o，則液滴稍大亦可應(yīng)用。

圖4  量高法示意圖

液滴在纖維上的接觸角也可用量角法測量，把纖維水平拉直．置于樣品槽內(nèi)，然后投影到電腦屏幕，直接測定液滴與纖維表面的夾角。如果液滴很小，接觸角也可用量高法測量，通過式（8）來計算。

實際固體表面幾乎都是非理想的，或大或小總是會出現(xiàn)接觸角滯后現(xiàn)象．因此，需同時測定前進角和后退角。對于躺滴法，可用增減液滴體積的辦法來測定。增加液滴體積時測出的是前進角，如圖5(a)所示；減少液滴體積時為后退角，如圖5(b)所示。

                  （a）前進角   （b）后退角

圖5   前進角和后退角的測定方法

為了避免增減液滴體積時可能引起液滴振動和變形，在測定時可將改變液滴體積的毛細管插入液滴中，插入液滴不影響接觸角的數(shù)值。

（三）儀器測量方法

1.接觸角多元化分析方式：全自動擬合法，半自動擬合法，手動水平測量，手動斜面測量；

2.多元化軟件計算方法：圓環(huán)擬合法(40度以下)；橢圓擬合法(40-120度)；Young-Lapalacer擬合法(120度以上)；

3.精準的表面自由能計算：Fowks法，OWRK法，ZismanPlot法，EOS法（軟件中預(yù)裝部分液體數(shù)據(jù)庫，可擴展）；

4.一鍵式軟件測量操作：【按空格鍵】--打開攝像頭；【按1鍵】--精準的控制滴液；【按2鍵】--高精度的進行全自動測量；

5.不規(guī)則產(chǎn)品測量拓展：凹凸面測量，曲面測量，滾動角測量,前進角后退角測量，高溫接觸角測量；

6.高速拍照方式：單張/連續(xù)/錄像；錄像任意電影單張導(dǎo)出；錄像視頻可自動快速測量；

7.細致化數(shù)據(jù)庫管理：導(dǎo)出Excel表格數(shù)據(jù) word圖片數(shù)據(jù)；圖片文字顯而易見。