超親水材料對水的潤濕性非常好,水滴在這種材料表面上極易鋪展,接觸角數(shù)值很小,稱為極低接觸角。
在很多應用領域會涉及到極低接觸角的測量。比如液晶屏和太陽能電池板的清洗工序。清洗后有機污染物去除的越徹底,材料表面越清潔則接觸角數(shù)值越小。工藝上往往要求水滴的接觸角小于10°甚至更低。
利用傳統(tǒng)的側視法接觸角測量儀時,如果接觸角低于 15°,測量難度將隨著接觸角角度的減小而急劇升高,準確性和可靠性下降。當接觸角低于約 5°時,幾乎很難再得到有意義的結果。這是因為當接觸角下降到這一范圍時,液滴的側面圖像嚴重受到側面光照和樣品反光的影響,采用傳統(tǒng)側視成像的方式很難再獲得準確的液滴邊緣輪廓,這會直接影響接觸角的擬合計算。
解決極低接觸角的測量問題,采用俯視成像方式是一種非??煽康臏y量方法。俯視測量法是通過從液滴正上方觀測在固體表面上的液滴形狀來獲得液滴接觸角的測量方法。
下圖是使用側視法和俯視法對同一液滴同時拍照得到的照片。顯然在接觸角 5°左右時側視法的照片液滴輪廓已經(jīng)模糊,軟件無法自動準確的計算出液滴的邊界,而俯視法液滴的三相接觸線輪廓清晰可見。
俯視法接觸角測量儀測量范圍廣,尤其是接觸角值極小時依然能夠得到準確可靠的測量結果。在此類應用中俯視法和傳統(tǒng)側視法相比,有著明顯的優(yōu)勢,是測量超親水材料接觸角的優(yōu)選方法。
受益于二十世紀末計算機速度的大幅提高和高分辨率數(shù)碼相機的出現(xiàn),使得我們對圖像數(shù)據(jù)求解上述方程成為了可能。
簡單地說,在已知液體表面張力和密度的前提下,如果我們能夠控制液滴的體積并且精確的測量液滴和材料表面三相接觸線的形狀尺寸,我們就可以利用 Laplace-Young 模型計算出液滴的三維輪廓,從而準確的得到接觸角數(shù)值。
下圖為使用側視法和俯視法對同一液滴同時測量接觸角得到的結果。
注意:根據(jù)接觸角不同計算模型的特點,一般來說在材料表面均一性較好的情況下,側視法測量接觸角在 0~180°范圍內(nèi)都可以使用,并且在 130°以上時側視法測量結果更為可靠;俯視法測量接觸角在 0~180°范圍內(nèi)都可以使用,并且在 10°以下時俯視法測量結果更為可靠。
接觸角測量儀具有瞬間凍結、自動連續(xù)攝影、高速攝影3種截圖方式,即便是揮發(fā)性液體也可以確保測量精確。
同時,外切線是人為主觀因素影響較大的問題,把幾何運算做在軟件之中,接觸角不再人為判斷。
接觸角測量儀的功能:
液滴和固體的靜態(tài)接觸角、動態(tài)接觸角(前進角和后退角)和滾動角。
分析固體表面的表面能,及其極性和色散力組成和分布。
單纖維樣品的接觸角及其表面能。
通過振蕩滴法測量液體界面粘彈特性,測量表面活性劑表面的表面馳豫、損耗和存儲模量和表面粘度,研究乳液和泡沫的穩(wěn)定性。
測量液體的表面張力,可以在多種溫度、濕度、壓力和其它特殊條件下進行。
接觸角測量儀的選件:
選配手動滴定系統(tǒng),直接進樣用于十分困難測量樣品 ,比如高粘度、難清洗的樣品。
高溫滴定控制模塊,用于滴定測量熔融高聚物和焊錫等材料的接觸角和表面張力,溫度范圍高達400℃。
振蕩滴測量模塊:用于液體界面粘彈性測量,采用小液滴高頻振蕩法,測量表面活性劑表面馳豫、損耗和存儲模量和表面粘度,研究乳液和泡沫的穩(wěn)定性。
單纖維滴定控制模塊,可以實現(xiàn)在幾個微米直徑纖維接觸角的測量。
獨有的濕度控制腔體,可以實現(xiàn)恒濕控制,濕度范圍5-95%。
PC軟件控制的多滴定系統(tǒng),可達8個自動進樣系統(tǒng)。
帕爾貼電動控制升降溫模塊,控溫范圍 -30-160℃,升降溫速度超快。
電動硅片樣品控制臺,可以自動選擇測量8寸、12寸等硅片的接觸角。