接触角测量-张力测量

接触角测角术

接触角，θ，是固体被液体润湿的定量度量。它在几何上被定义为液体在液体、气体和固体相交的三相边界处形成的角。著名的杨方程描述了固-液-气三相接触时的平衡。

γSV = γSl+ γlv cosθY (1)

界面张力γsv、γsl和γlv形成了润湿的平衡接触角，多次称为年轻接触角θY。

最简单的接触角称为固着跌落角或静态接触角。这是液滴停留在表面而不移动的时候。然而，基于化学均匀性、形貌和粗糙度等因素，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，动态前进和后退接触角被测量。这被定义为接触角迟滞，这是前进和后退的角度之间的差异。

滞后产生于表面的化学和地形不均匀性、表面吸附的溶液杂质、或溶剂对表面的膨胀、重排或改变[1,2]。前进和后退接触角表示静态接触角在表面上可以具有的最大值和最小值。前进和后退角度之间的差异可高达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成为一个热门话题[3,4]。这一点很重要，因为自清洁应用需要较小的滑动角或滚转角（基板必须倾斜以移动液滴的角度）。滞后现象在水侵入多孔介质、涂层发展和液/固界面吸附方面也很重要。188金宝搏app安卓下载

测量静态、前进、后退和滚转角度的方法多种多样。

光学张量法

在现代光学表面张力计使用数码相机拍摄液滴图像，分析液滴形状。然后，通过从落差基线到边缘绘制的切线，用Young Laplace方程拟合落差。在最简单的情况下，手动注射器用于手动将给定体积的液体分配到针尖末端。然后，将针尖轻轻地与感兴趣的表面接触，并将注射器针尖拔出，使滴落在表面上。可以使用各种类型的分配器。采用自动移液管的最先进系统可以推出所需体积，并自动将液滴放置在表面上。

动态接触角可以用两种不同的方法测量;1)改变液滴的体积或2)使用倾斜支架。图2 (a)为变体积法原理。简而言之，首先形成一个小液滴并放置在表面。然后针被带到接近表面，液滴的体积逐渐增加，同时记录。这将给出前进接触角。后退角的测量方法相同，但这一次，液滴的体积逐渐减小。

在图2 (b)中，展示了倾斜支架法的原理。液滴被放置在基片上，然后基片逐渐倾斜。前进角是在液滴前边缘测量的，在液滴变得不固定并开始移动之前。在液滴后缘开始移动之前，在液滴后部测量后退接触角。

力张量法

当使用分析天平测量施加在与试验液体接触的固体基底上的力时，进行力张力测定。通常，该装置涉及将待测基板连接至平衡钩。然后，使感兴趣的液体与基底接触，施加在板上的力由下式给出

润湿力= γl Pcosθ (2)

cosθ =接触角，γl =表面张力， P =样品周长。

图3给出了一个完整的基于力的接触角测量循环。在这种情况下，测量的接触角总是动态的，因为样品是对着液体移动的。当样品浸入液体时，记录前进接触角，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．固体表面自由能是液体表面张力的等效参数，单位为mN/m或dynes/cm。虽然接触角本身可以定量地指示表面的润湿特性，但它总是取决于所使用的探针液体。为了测量表面的自由能，需要使用几种探针液体来测量不同的接触角，然后这些数据可以适用于目前的理论来提取表面自由能值。要了解更多关于不同表面自由能理论的背景知识，请参阅Biolin Scientific的技术说明．

表面粗糙度

接触角测量技术比较
由于静态接触角和动态接触角都是可能的，因此光学张量法是接触角的主要测量方法。通过测量同一样品上几个不同位置的接触角，可以很容易地估计基板的均匀性。这在Wilhelmy平板法中是不可能的，因为计算出的接触角是整个浸没区域的平均值。出于同样的原因，Wilhelmy平板法样品的两侧和边缘必须均匀，这可能会对样品制备造成问题[5]。

特殊样品的接触角测量
虽然接触角的测量很多时候是直接的，但在一些特殊情况下，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
纤维等薄物体的测量，可采用配备皮升分配器的光学张力仪或采用威氏板法的力张力仪进行。使用光学张力计，皮升分配器可以产生基底直径约为30 ~ 50 μm的液滴。通过特殊的光学和高速照相机，可以对这个小液滴拍照，接触角可以用类似的方式确定，而不是使用微升大小的液滴。力张力计另一方面，可以使用光纤专用支架。由于施加在天平上的力非常小，因此需要防振台和机柜进行可靠的测量。这两种方法在应用说明1中进行了更详细的审查。

吸收基质
许多次在吸收测量液体的基底上测量接触角。在这种情况下，接触角通常被分析为进一步分析的曲线。如果需要一个值，必须注意接触角的测量和重复报告。通常，第一次测量的接触角值被作为接触角的结果。由于吸收通常发生得非常快，因此经常使用高速相机。

粉末
粉末接触角可以通过在压缩粉片上使用固着滴落测量或使用力张力计与Washburn方法测量。当被压缩的药片被测量时，如果粉末是亲水的，它可以像吸收基板一样工作，或者如果粉末是疏水的，液滴可以停留在表面。沃什伯恩法在这里作了更详细的说明。