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如何选购动态接触角测量仪以及动态接触角(前进角、后退角)测试的关键技术要点

 

本文总结了目前动态接触角测量仪的一些方法,技术以及其他问题。供大家参考。
 
1、何谓动态接触角测量仪?
通常情况下,很容易将动态接触角测试或动态接触角测量仪与时间联系起来,即动态接触角测量仪测试的是随时间变化而变化的接触角值。从某些应用而言,比如考察表面活性剂的吸附、温湿度变化以及挥发、吸水等情况时,随时间变化而变化的接触角测试是接触角测量仪的常规应用。但是,对于接触角测量仪而言,动态接触角测试或动态接触角测量仪是一个特殊的测试方法或应用。此处,动态接触角测量通常是指测试被测固体材料的前进后、后退角,进而分析测试存在表面粗糙度或化学多样性条件时,被测固体材料可能存在的滞后接触角情况,基于Wenzel-Cassie模型的热平衡接触角值(本征接触角值)。动态接触角测量仪通常是指具有测试被测材料的前进角(Advanced contact angle)、后退角(Receded contact angle)和滚动角(Roll off angle),以及本征接触角值的分析测试仪器。
 
2、动态接触角测量仪从大类分有哪些类别?
动态接触角测量仪从大类分主要分为两大类,一种是基于润湿天平技术的威廉板法(Dynamic Wilhelmy Plate method),另一种为基于光学原理的光学接触角测量仪(Optical contact angle meter)。两种方法测试技术存在本质的区别。由于如下原因,动态接触角测试技术目前没有得到广泛的研究,相关研究仅仅停留在就前后、后退角、滚动角而测试角度。没有深入到热平衡接触角或采用前进、后退角技术进而分析固体材料的表面自由能。第一,目前为止没有任何文献对于两种方法的测值结果进行过对比。同时,由于动态接触角测试技术涉及的界面化学专业知识主要为由于表面精糙度、表面形貌或化学多样性存在而导致的接触角滞后,分析采用的模型目前较为被学术界广为接受的是Wenzel-Cassie模型。第二、动态接触角的两个测试技术本身存在发展不足,影响了动态接触角测量仪的被接受程度。这主要体现为,视频光学方法接触角测量仪的接触角测试算法长期停留在切线法(如一次、二次曲线方程或复合方程)阶段,仅仅为几何算法的测试,测试时受接触点位置噪声影响非常大,测值重复性不高。基于分析天平的表面张力仪的威廉板法测试动态接触角值时,其接触角值的意义本身无法与光学接触角测量值得到的接触角值相类比,仅仅是一种可能可行的测试方法选项。且在测试时,受材料本身几何尺寸以及粗糙度变化影响非常大,也很难形成如弹片一样在被测固体表面的弹跳式的前进、后退角滞后的接触角现象,因而测值结果可接受程度比较低。
 
3、光学法动态接触角测量仪的测试方法有哪些?各自的优缺点是什么?
动态接触角测量仪主要有三种方法。目前所知较多的两种,为增加、减少液体法和旋转样品台方法。
(1)增加减少液体量的方法(针头在液体里)
前进角、后退角、滚动角
前进角是指通过增加液体并形成液滴在固体表面移动时瞬间的角度值,advancing contact angle, θa;后退角是指通过减少注体并形成液滴在固体表面移动时瞬间的角度值,receding contact angle, θr。两者之间的差值称为滞后接触角值,contact angle hysteresis, H, (H θa θr)此种方法测试前进、后退角可以形像的描述为一个弹片效果,即弹片一端被拉住后,另一端变形,何时拉住的那端的弹片无法保持住为止。因而,并非简单的最大接触角或最小接触角值可以表征此种方法的前进后退角值。
(2)旋转样品台的方法(滚动角)
前进角、后退角、滚动角
此种方法通过旋转样品台至一定的角度,此时,液滴同样会倾向于往下滚动,下端角度比较大的接触角值称为前进角值,上端侧角度比较小的接触角值称为后退角值。两者之间的差值称为滞后接触角值,contact angle hysteresis, H, (H ≡θa −θr)。
在本方法中请注意,滚动角并非是前进角-后退角。滚动角是指在某固定体积条件下的液滴,在固体样品倾斜后液滴在样品表面滚动瞬间时的角度值。因而,液体的体积量以及相对应的倾斜角度值,此时的前进、后退角值均是关键信息。
(3)通过在样品上面打孔,并从样品下方增加和减少液滴量的方法。
前进角、后退角、滚动角
此方法由ADSA-P提出者A.W.Neumann团队提出。增加液体并形成液体在固体表面的移动瞬间的角度称为前进角,而减少液体并形成液体在固体表面的移动瞬间的角度称为后退角。同样,两者之间的差值滞后接触角值,contact angle hysteresis, H, (H ≡θa −θr)。本方法与第一种增加、减少液体量的方法异曲同工,但优势相对明显,没有针头的干扰,测值的重复性会较好。
三种动态接触角测试方法(前进、后退角测试方法)的优缺点:

序号
 
优势
缺点
1
增、减液体法(针头插入)
操作简单
1、重现性差
2、无法精确控制弹出瞬间(增加、减少液体的流量控制精度要求非常高)
3、受接角点位置的噪声影响非常大,测值精度不高
4、受针头位置及材质影响较大;
5、软件算法非常简单,仅仅可以采用切线法(一次曲线、二次曲线或复合曲线)。虽然可以采用ADSA-NA算法测试,但其在算起始角度与接触点时,受接触线位置的噪声影响仍很大,精度无法与滚动样品台的算法相比较。
2
滚动样品台(滚动角)
1、重复性好
2、具有更多的接触角滞后信息,包括了前进角、后退角和滚动角;
3、可以实时测试基于Wenzel-Cassie模型的热平衡接触角值(本征接触角值)
4、整体轮廓测试技术,ADSA-RealDrop算法,测值精度高。
1、需要专门的机械结构
2、成本较高
3、需要专门的软件算法支持,如ADSA-RealDrop算法。其他算法如切线法等采用局部轮廓时仍会受接触线位置的噪声影响非常大。
3
增、减液体法(样品打孔,下侧增液)
1、专业性较高,可以更多的体现为接触角滞后的信息;
2、可以采用整体轮廓的ADSA-P或ADSA-RealDrop算法,精度高。
1、重现性差
2、无法精确控制弹出瞬间(增加、减少液体的流量控制精度要求非常高)
3、操作可行性差,特别对于一些无法打孔的样品而言。

 
4、3D形貌分析与测试动态接触角值的接触角滞后有何关联?需要专门的3D形貌分析模块?
3D形貌分析本身对于测试动态接触角没有关联。3D形貌仪或表面粗糙度仪表征出来的仅仅是粗糙度的概念,而接触角滞后的影响因素非常多,包括化学多样性、异构性、表面粗糙度等等。且3D形貌测试所得的粗糙度值是否完全可以直接代入Wenzel方程修正计算得到真实接触角或本征接触角值,其界面化学意义仍待商榷。
测试表面粗糙度有许多方法。目前主流的方法均可以在网络上查找。而表面形貌通常是通过专业的扫描电镜显微镜或专业的3D形貌仪器来表征。所以,如果需要表征3D形貌,则可以采购专业仪器。
如果就测试动态接触角值而言,3D形貌的意义并不大。动态接触角测试需要的是专业的算法以及机械结构。而目前广为接受的热平衡接触角值测试模型为基于Wenzel-Cassie模型的Tadmor法。参考文献为(As-placed contact angles for sessile drops, Journal of Colloid and Interface Science 317 (2008) 241–246)。
 
5、动态接触角测量的软件测试算法或测试方法有哪些?各自的优缺点为什么?
目前,测试动态接触角值的算法主要为一次曲线(直线)切线法、二次曲线拟合法、双圆曲线拟合法、复合曲线法、曲线尺法以及ADSA-NA算法、ADSA-RealDrop算法。

 
科诺采用与否
优点
缺点
直线法
简单
没有任何精度
二次曲线法
简单
1、无界面化学模型支撑
2、受接触点位置噪声影响较大
复合曲线法
简单
曲线尺法
简单
双圆曲线
计算速度快,简单
不受接触点位置噪声影响
1、无界面化学模型支撑
ADSA-NA
基于Young-Laplace方程拟合技术,符合界面化学专业
受接触点位置噪声影响较大
ADSA-RealDrop
基于Young-Laplace方程拟合技术,符合界面化学专业
 

 
6、哪家公司首家创导视频光学动态接触角测试技术?
美国科诺工业有限公司为世界首家倡导并致力于视频光学接触角测量技术的公司。我们于世界首家提供专利技术的滚动角测试平台,采用了蜗轮蜗杆技术的精密光学旋转平台,角度精度可达0.007度,近零回程间隙设计。同时,采用了专利技术的ADSA-RealDrop算法,基于Young-Laplace方程拟合技术,整体轮廓计算前进角、后退角值。同时,独家提供实时测试基于Wenzel-Cassie模型的Tadmor法的本征接触角测试值以及基于chibowski算法的表面自由能估算法(通过前进角、后退角计算固体的表面自由能)。Chibowski法表面自由能是目前唯一提供基于接触角滞后分析的固体表面自由能算法。而CAST3.0为目前世界唯一支持该算法的软件。
 
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