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什么是真正的接触角测量仪? 圆拟合、椭圆拟合算法的接触角测量仪仅仅属于数码显微量角器而非界面化学领域的接触角测量仪器

什么是真正的接触角测量仪?

目前,商业化的名称为“接触角测量仪”或“水滴角测量仪”在市场上非常多。众多的冠以“接触角仪”的伪界面化学分析仪器严重影响了界面化学分析测试技术,特别是界面张力、接触角测值技术的发展。

一、从接触角测量仪测试的接触角值的定义评估何为接触角测量仪?

从接触角的定义可以得出,接触角是液体表面张力、固体表面自由能以及固液界面张力、重力互相作用而形成的一个物理化学指标项。通常情况下,接触角用以表征固体材料的性质,以及固体与液体的粘附效果的直接评估指标项。各个接触角值数据为了进行对比,通常以水滴(二次蒸馏水,20摄氏度时表面张力值为72.8mN/m)测试固体表面的接触角值为公布数据,该值也被称为水滴角值。用水滴接触角值评估固体表面性质的接触角仪也被称为水滴角测量仪。

综上而言,接触角值不是简单的一个几何量角器而得到的度量值,而是综合了表面张力、界面张力、重力等影响的一个非常复杂的物理化学指数,两者之间有本质的区别。水滴角测量仪则必须是指测定水的表面张力值后,保证测试探针水表面张力一致性的条件下,采用蒸馏水作为探针液体,表征固体表面物理化学性质的测试仪器。

从接触角的定义,可以得出接触角测定仪的必须具有基本要求:

(1)测值方法应综合考虑表面张力、界面张力等因素的影响,测值结果与表面张力和界面张力相关;

(2)采用水滴作为探针液体的水滴角测量仪,必须提供测试水表面张力值的功能。

二、从“接触角测量仪”的发展历史来分析何为接触角测量仪?

忽略表面张力和界面张力参与测值这个关键性条件要件外,商业化的“接触角测量仪”(我们暂且将之统称为接触角测量仪,并以引号标出)可以分为三个阶段:

1、20世纪50年代至80年代,以Zisman为代表的分划板显微量角器(goniometer): 其特征为显微镜放大小液滴图片后,采用量角器工具量测角度值。测试结果没有考虑表面张力和界面张力、重力的影响,仅仅从几何角度分析所形成的轮廓在接触点位置的切线。

2、20世纪80年代开始至今,数码显微量角器:

随着计算机技术的发展以及CCD相机的出现,Zisman为代表的显微量角器技术升级至了数码显微量角器阶段。

本阶段的特征为采用数码摄像机将图片捕捉后,采用图像识别与分析技术,采用几何量角器(圆拟合、椭圆拟合、曲线尺)量测角度值。同样,测试结果没有考虑表面张力和界面张力、重力的影响,仅仅从几何角度分析所形成的轮廓在接触点位置的切线。

目前商业化的名称为“接触角测量仪"或水滴角测量仪,特别是中国制造的仪器,仍处于本阶段的发展水平,其本质上是采用计算机数码技术的显微量角器

3、20世纪90年代开始,以A.W.Neumann教授团队提出的ADSA-P测试算法为代表,”接触角测量仪“首次在测试固-液或固体性质时引入了表面张力(界面张力)参与测值,接触角测量进而可以真正用于表征固体的物理化学性质。因而,真正的界面化学测量领域的接触角测量仪发明的标志是采用ADSA-P算法,也可称为Young-Laplace方程拟合算法。在google搜索引擎中可以检索到引用A.W.Neumann教授的文献不计其数。可以说,ADSA-P算法是现代界面化学测试技术的基石。

三、综述:

1、通常以圆拟合、椭圆拟合算法的接触角测量仪仅仅属于数码显微量角器而非界面化学领域的接触角测量仪器,其无法真正表征出固体的真正的物理化学指标;

2、无论何种量角器测试仪器由于其没有考虑表面张力、重力的影响,因而对于进液的精度与重复性有非常高的要求,即使做到了0.0001uL的精度,也无法确保其真正表征出固体的物理化学性质;

3、ADSA算法是目前广为接受的综合考虑表面张力、界面张力、重力影响的测试固体接触角或液体表面张力的测试的最先进算法,只能采用了ADSA算法的显微测量仪才算得上真正的”接触角测量仪“

4、目前商业化的大部分”接触角测量仪“是伪”接触角“测量仪器。特别是中国制造的”接触角测量仪“绝大部分只能称为”数码显微量角器“,仅仅是将体视显微镜增加了一个滴液系统而已。其本质上仍未改变其量角器的本性,无法用以表征固体的性质。

5、接触角测量并非是圆拟合或椭圆拟合这么简单的几何量测所能够真正解决的。

   
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