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现有接触角测量仪/水滴角测量仪的严重理论缺陷。简述接触角测量仪及水滴角测量仪的最基本设计理念及核心技术。

一、接触角测量仪或水滴角测量仪与数码量角器的误区。

接触角测量仪是指采用界面化学原理中Young-Laplace方程及其变体,采用液体作为探针物体,采用光学摄像的原理对固体材料进行物理化学性质进行分析的专业分析仪器,分析的最终结果以接触角、表面自由能、粘附功等数值呈现。区别于普通的数码量角器的简单的圆拟合、椭圆拟合或切线法等几何算法的光学测量仪器的是,接触角测量仪具有非常显著的专业基础,即通过分析液滴轮廓并拟合至Young-Laplace方程曲线,最终分析得到接触角值。因而,普通的数码量角器仅仅是量测几何意义上的轮廓的切线夹角角度,不考虑界面化学性质以及重力影响等显然存在的因素,因而具有测值理论参考依据不足、测值重复性差、精度差等明显的缺陷。事实上,商业化的低价的所谓的“接触角测量仪”厂商目前均以数码量角器为主,而不是根本意义上的接触角分析与测量。在中国日益重视核心技术,重视创造性的研发精神的当下,数码量角器所得到的数据的科学依据不强时,其数据的可参考性不足,也将非常明显的影响着最终的研发成果的成功。

而水滴角测量仪则特指采用蒸馏水或超纯水作为探针液体,用以评估固体的物理化学性质(接触角、表面自由能、粘附功)的分析测量仪器。同样地,水滴角测量仪也依据界面化学的性质并对固体进行清洁度、粗糙度、表面张力、粘附力、氢键力、色散力、极性力等进行综合评估。显然,与普通的圆拟合或椭圆拟合的数码量角器也存在明显的区别。

很多用户在选购接触角测量仪或水滴角测量仪时,通常的第一认识或先入为主的认为,我们仅仅是想简单的测试一下接触角值而已。对于整体预算通常2-4万元甚至更低。对于此,我们的建议是:(1)对于要求不高的用户或使用者而言,我们建议采购上海梭伦入门级的接触角测量仪,SL250系列或SL150系列水滴角测量仪。该系列仪器拥有区别于数码量角器的真正接触角测量仪的阿莎算法、样品台面和镜头各自独立微分头控制水平调整机构、红宝石球校准工具(一年校准一次)以及彩色高速摄像机;(2)对于真正只是想测试几个数据的用户,我们建议借用我们的仪器即可。我们不建议用户盲目的采用数码量角器,虽然便宜,但是,数据的可信度、精度在基本的科学依据都没有的时候,我们认为没有必要再次化时间成本去帮这些数码量角器作一些验证性的评估。最终结果一定是再次验证了数码量角器真的不能应用于“接触角”这样的专业分析,两种仪器还是有本质区别的。所以,在明显科学理论就已经确认了数码量角器的测值所限时,我们还是尊重科学,采用哪怕简单的基于Young-Laplace方程的接触角测量仪也远好于数码量角器。

二、接触角测量仪或水滴角测量仪设计的长期以来的最大误认:我们真的很难找到固体材料可以实现轴对称的液滴轮廓的。

自1943年Zisman团队提出量角器测试接触角的概念以来,直至20世纪80年代A.W.Neumann教授团队提出奠定了现代接触角测量的Young-Laplace方程拟合算法以来,所有的理论假设均是接触角测量时,液滴形态是轴对称的。但是,事实情况却是,由于:

(1)表面粗糙度;(2)化学多样性;(3)异构性等因素

在存在,几乎没有一个固体样品的表面是呈现各个视角条件下是轴对称的。这就像很难存在绝对光滑的表面一样。如下所示:

如下面一系列的示例图片所示,在采用顶视视角条件下拍摄下来的液滴图片中,很少能够形成正圆形的图片。

CD顶视时的接触角液滴图像IPAD膜顶视时接触角液滴图像

手机膜顶视时液滴图像LCD顶视时液滴图像

LCD顶视时接触角液滴图像wafer晶圆顶视时液滴图像

不锈钢板顶视时液滴图像不锈钢板顶视时液滴图像

荷叶接触角顶视时液滴形状荷叶顶视时液滴图像

超亲水空调铝箔顶视时接触角图像有蜡层的纸张顶视时接触角图像

铝合金顶视时接触角图像铝合金阳极处理后顶视时接触角图像

聚四氟乙烯顶视时接触角图像石英玻璃顶视时接触角图像

塑料顶视时接触角图像塑料顶视时接触角图像

从如上一系列顶视法的接触角测量图谱中可以很明确的看出:

1、从材料本身来讲,很难找到表面不存在粗糙度、化学多样性或异构性的样品。而正是由于这些因素的影响,很难出现接触角液滴从顶视时呈现正圆的图像。

2、3D接触角测量是表征材料物理化学性质的最好方法。而3D接触角的最基本的要求是能够分析接触角值的左、右区别。

3、通过阿莎算法(ADSA-RealDrop)对于左、右角度值的评估,可以判断材料本身的接触角滞后现象或3D接触角现象。

4、样品台或样品上表面的倾斜情况同样会影响液滴左、右角度值的变化。因而,从硬件要求来讲,样品台面独立调整水平的要求度会非常高,而不能够仅仅通过简单的四脚调整水平功能实现样品台面的调整,这个是完全不讲科学的做法。

5、顶视法(ADSA-D)的应用局限性在于无法准确采用哪个位置的直径或相关参数估算出边界条件中的体积值,因而,常规的平均体积法原则或最小二乘后体积估算原则在分析ADSA-D算法的接触角值时存在一定的缺陷。ADSA-D是理想条件下的接触角分析。与常规的Young-Laplace方程拟合法(轴对称或ADSA-P)一样,无法作为现代先进接触角算法来对待。

6、从目前为止来讲,镜头俯视以样品台面的倾斜均会明显影响接触角分析结果6-9%甚至更高。而二维条件的玻璃校准板无法准确检测出3D状态下的接触角测量仪器的准确性,同时,大部分接触角测量仪即使采用了3D红宝石球工具校准仪器,但由于缺少如上4所提及的样品台面以及镜头各自独立的微分头控制二维水平调整结构,因而,这些仪器是根本无法校准。只能是加工成什么精度就是什么精度,且这个精度无从考评,无法保证其他什么。

综合如上,我们的结论很明显,上海梭伦的接触角测量仪,严格遵循界面化学领域接触角分析的非轴对称接触角原理提出了阿莎算法,并基于阿莎算法,提出的侧视和顶视不同的分析方法,并将测试接触角的成像归为采用侧视为主。进而,我们提出了一套包括样品台面和镜头微分头二维控制的高精度调整结构、彩色高速摄像机、红宝石检定工具等等硬件结构的最基本的解决方案。这个方案是目前为止比较科学、合理、先进的测量接触角,甚至是3D接触角的方案。

三、阿莎算法(ADSA-RealDrop)以及依据阿莎算法核心理念设计的接触角测量仪,甚至3D接触角测量仪,才是真正专业的体现

阿莎算法的领先之处在于非轴对称分析技术,在于全面提升了侧视条件下分析接触角测量的精度,应用范围,数据可靠性等。因而,对于真正意义的专业的接触角测量仪或水滴角测量仪,可能的要求必须包括:

1、样品台面及镜头各自独立的微分头控制结构;

2、彩色摄像机;

3、遮光板以及UV过滤;

4、红宝石球3D接触角测量仪校准工具。

在预算足够的情况下,选购3D接触角镜头或3D接触角分析模块。

当然,所有的一切应在阿莎算法为基础。阿莎算法对于接触角测量仪或水滴角测量仪而言是本,而其他的均是接触角测量的末,不能本末倒置。

 

   
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