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动态接触角测量方法实现方式

用座滴法测量动态接触角有二种基本的方法:
1) 加液/减液法
就是在形成液滴后,再继续以很低的速度往液滴加入液体,使其体积不断增大。开始时,液滴与固体表面的接触面积并不发生变化,但接触角渐渐增大。当液滴的体积增大到某一临街值时,液滴在固体表面的三相接触线发生往外移动,而在发生移动前瞬间的接触角,被称为前进角。在此之后,接触角基本保持不变。
反之如果从一形成的液滴不断地以很低的速度把液体移走,使其体积减小。开始时,液滴与固体表面的接触面积也并不发生变化,但接触角渐渐减小。当液滴的体积减小到一定值时,液滴在固体表面的固/液/气三相接触线开始往里移动。在发生这一移动前夕的接触角,就是后退角。在此之后,接触角也应基本保持不变。
1) 加液/减液法测量前进/后退接触角
在运用这一方法时,必须注意以下几点:
体积变化的速度应足够低,尽量保证液滴在整个过程有足够的时间来松弛,使得测量能在准平衡下进行。
由于这一过程中一般都有针头/毛细管的卷入以加入/移走液体,针头/毛细管的直径一定要(与液滴相比)足够小,使液体在针管/毛细管外壁上的润湿不会对液滴在固体表面的接触角产生影响。这一点尤其是对后退角的测量更为突出,否则测得的值将严重偏离真实值。
同样由于过程中针头/毛细管的卷入,使得液滴一般不再呈现中心轴对称,也不再能被看作是圆或椭圆的一部分,所以基于Young-Laplace或圆或椭圆方程式的计算方法都将遇到困难,带来较大误差。此时一般使用广义切线法,但此方法往往对少量的背景噪音较敏感。
2) 倾斜板(tilting plate)法
将一足够大体积的液滴置于待测的样品表面后,把样品表面朝一方缓慢、不断地倾斜。当开始时液滴不发生移动,而只是其中的液体由后方向前方转移,使得前方的接触角不断增大,而后方的不断缩小。当倾斜到一定角度时,液滴开始发生滑动。发生滑动前夕液滴的前角就是前进角,后角则为后退角。
2) 倾斜板(tilting plate)测量前进/后退/起始滚动角
倾斜板法有二种实现方法:
整体倾斜法:将整套测量仪置于摇篮状的倾斜架上,让包括摄像机,光学镜头,样品台,样品和光源等组件的整套仪器同时倾斜。这种构造和操作的主要优点在于:液滴相对于摄像机和光学镜头在整个过程中保持相对不倾斜,这样软件开发上就不必特殊处理,计算比较容易。 而其缺点也很为明显:仪器越大、样品越大/越重,所需要的倾斜架也越大,显得很笨重;由于仪器上的所有东西都跟着一起倾斜,使得有些液体会倒出来,同时使得在倾斜作态无法加液产生液滴,也即液滴必须在倾斜前已经被置于样品表面。
局部倾斜法:只倾斜样品台和其上面的样品包括可能已放置上去的液滴,其它的所有部件均不倾向,保持不动。 这样做法的优点显而易见,可以避免上面提到的所有缺点,使得仪器精巧,硬件制造成本降低,也能容许在任何倾斜角度下加液形成新液滴,或往已经形成的液滴加入液体。但其也对软件的开发提出了新的挑战,增加了不少难度和复杂性。可以完美地对付各种形状的液滴,包括处于倾斜下的极度不对称的液滴,计算接触角的精度比普通方法大为提高。这使得我们不但可用此方法来更好地处理倾斜板法的液滴,也为处理加液/减液法下的液滴提供了一高可靠性的新方法。
注意:市场上有不少仪器提供这种局部倾斜法的硬件,但多数都没有相应软件的支持。这并不能为用户带来多大好处,也无法完成上面提到的大多数功能。
使用倾斜台测量接触角,主要可以测量前进角和后退角外,还可进行下的测量:
某一倾斜角度时的两侧接触角的差别,及这一差别随倾斜角的变化;
某一倾斜角度时的液滴的起始滚动/滑动体积;
某一特定体积的液滴的起始滚动/滑动倾斜角度(roll-off angle);
从液滴的前进接触角和后退接触角可以推算出相应的近似杨氏(Young)接触角。
以上的测量对许多润湿/传质过程都很重要。在实际应用中,不但要知道接触角的大小,也必须知道前进接触角和后退接触角以及二者的差别;在许多实际情况下,表面往往是倾斜的,所以在倾斜的情况下考察接触角的特性行为也就显得再自然不过,得到的结果也能更好地反映实际情况。对于某些液体的超疏水性特性,只有知道了前进接触角和后退接触角以及液滴的起始滚动倾斜角度才能较完整地表征。

   
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