接触角焦管测量 - 张力

接触角焦管测量仪

接触角θ是液体润湿固体的定量量度。它在几何学上定义为液体在液体、气体和固体相交的三相边界处形成的角度。著名的杨氏方程描述了固-液-气三相接触时的平衡。

γSV=γSl+γlv cosθY（1）

界面张力γsv、γsl和γlv形成平衡接触润湿角，很多时候称为杨氏接触角θY。

最简单的接触角称为静止液滴或静态接触角。这是液滴在表面上搁置而不是移动时。然而，基于诸如化学均匀性，地形和粗糙度的因素，表面存在一系列稳定的接触角。为了捕获给定表面的整个角度范围，测量动态推进和后退接触角。这被定义为接触角滞后，这是前进和后退角之间的差异。

滞后现象是由于表面的化学和地形的不均匀性、溶液杂质在表面的吸收、或溶剂对表面的膨胀、重排或改变引起的[1,2]。前进和后退的接触角代表静态接触角在表面上的最大值和最小值。前进和后退的角度差可高达50°。由于最近对超疏水和自清洁表面的兴趣，动态接触角和接触角滞后已经成为一个热门的话题[3,4]。这是很重要的，因为小的滑动角度或滚动角度(为了移动液滴，衬底必须倾斜的角度)是自清洁应用所需要的。188金宝搏app安卓下载滞后效应在水侵入多孔介质、涂层发展和在液/固界面吸附过程中也很重要。

静态、前进、后退和滚转角度的测量方法多种多样。

光学张力测量学

在现代光学张力计，利用数码相机对液滴进行拍照，分析液滴的形状。然后，用从水滴基线到边缘的切线拟合水滴与Young-Laplace方程。在最简单的情况下，手动注射器是用来用手将给定体积的液体分配到针尖的末端。然后，将针尖轻轻地与感兴趣的表面接触，并将注射器头抽离，将液滴留在表面上。可以使用各种各样的分配器。最先进的系统采用自动移液器可以推出所需的体积，并自动将滴液放置在表面。

可以使用两种不同的方法测量动态接触角;1）使用倾斜支架改变液滴的体积或2）。图2（a）显示了体积变化方法的原理。简而言之，首先形成一个小液滴并放置在表面上。然后将针靠近表面靠近表面，并且同时记录时液滴的体积逐渐增加。这将提供前进的接触角。取出角度以相同的方式测量，但是这段时间，液滴的体积逐渐降低。

图2（b）显示了可倾摇篮法的原理。将液滴放置在基板上，然后基板逐渐倾斜。在液滴未固定并开始移动之前，在液滴前缘测量前进角。在后缘开始移动之前，在液滴后部测量后退接触角。

力张力测量学

当使用分析天平测量与测试液体接触的固体衬底上施加的力时，进行力张力测量。通常，该装置包括将被测试的基板连接到一个平衡钩上。然后将感兴趣的液体与衬底接触，施加在平板上的力为

润湿力=γl Pcosθ（2）

与COSθ=接触角，γL=表面张力液体和样品的p =周边。

在图3中，提出了一种基于基于力的接触角测量循环。在这种情况下，由于样品抵靠液体，所测量的接触角始终是动态的。当样品被浸入液体中时，记录推进接触角，并且当样品被拉出时，测量后退接触角。

表面自由能

接触角测量的一个重要应用是确定固体表面的特性表面自由能（SFE）.固体的表面自由能是液体的表面张力的等效参数，并且该单元是相同的Mn / m或达因/厘米。尽管接触角本身可提供表面的润湿特性的可量化指示，但它总是取决于所用的探针液体。为了测量表面的SFE，需要使用几种探针液体的几个接触角，然后该数据可以适合电流理论以提取表面自由能值。有关不同表面自由能源理论的更多背景，请参阅Biolin Scientific的技术说明.

表面粗糙度

接触角测量技术的比较
光张力法是测量接触角的主要方法，因为静态接触角和动态接触角都是可能的。通过测量同一样品上几个不同地方的接触角，可以很容易地估计基片的均匀性。这是不可能的与Wilhelmy板方法，因为计算接触角是在整个浸没区域的平均。出于同样的原因，Wilhelmy plate法样品必须在两侧和边缘都是均匀的，这就会在样品制备方面产生问题[5]。

特殊样品的接触角测量
虽然接触角测量很多次，但有一些特殊情况需要仔细的实验​​设计。一些特殊情况包括纤维，吸收液体的样品和粉末。

纤维
纤维其他薄物体可使用配有皮克林分配器的光学张力计或使用Wilhelmy平板法的力张力计进行测量。使用光学张力计，picoliter分配器可产生基底直径约为30至50μm的液滴。使用特殊的光学元件和高速照相机，可以拍摄这个小液滴的图像，并且可以用与使用微升大小液滴类似的方式确定接触角。力张力计另一方面，可以利用一种特殊的纤维固定器来使用。由于施加在天平上的力非常小，因此需要防振工作台和机柜来进行可靠的测量。这两种方法在应用注释1中有更详细的介绍。

吸收基质
在吸收测量液体的基板上测量多次接触角。在这种情况下，通常分析接触角作为进一步分析的曲线。在需要一个值的情况下，必须小心测量接触角并可重复地报道。最常通常测量的第一接触角值作为接触角结果。由于吸收通常很快，因此通常使用高速摄像机。

粉末
粉末上的接触角可通过使用压缩粉末片剂上的固定液滴测量或使用Washburn法的力张量计进行测量。当测量压缩片剂时，如果粉末是亲水性的，则其表现类似于吸收基质；如果粉末是疏水性的，则液滴可以停留在表面上。这里将进一步详细说明Washburn方法。