接触角测量

接触角,θ(θ)，是固体被液体润湿的定量测量。的接触角几何上定义为液体在液体、气体和固体相交的三相边界处形成的角度。有三种不同的力作用在固体，液体和气体之间的三相接触点上，或者在某些情况下，固体，液体和液体．接触角可分为静态接触角、动态接触角和粗糙度校正接触角。

静接触角

静态(即。液滴）当液滴位于表面且三相边界不移动时，测量接触角。到目前为止，静态接触角是测量最多的润湿性值。它最适用于相对光滑和均匀的表面。静态接触角也用于定义表面自由能(即固体表面张力)。静态接触角提供了一个快速，简单和定量的润湿性测量。静态接触角的测量基于杨氏方程，该方程假设界面力是热力学稳定的。

动态接触角、接触角、滞回和滚离角

当三相边界移动时，可以测量动态接触角，称为前进角和后退角。顾名思义，前进接触角是在液滴前沿前进时测量的，后退接触角是在液滴前沿后退时测量的。在理想曲面上，这两个值彼此接近。然而，大多数情况下，测量的接触角取决于接触线移动的方向。接触角滞后前进和前进的区别是什么的后仰接触角。接触角滞回主要是由于表面的化学和形貌的不均匀性，溶液杂质在表面的吸收，或溶剂对表面的溶胀、重排或改变。

滚出角是指液滴开始移动的倾斜角。低滚转角与低接触角滞后有关。

粗糙度校正接触角

接触角受粗糙度的影响。化学成分相同但粗糙度不同的表面会有不同的接触角。粗糙度校正接触角是接触角值，其中粗糙度的影响被带走。在确定表面自由能时，应特别使用粗糙度校正接触角。

光学张力计用于测量静态、动态和粗糙度校正接触角。主要组成部分光学表面张力计分别是相机、滴液机、样品台和照射样品台上滴液的光源。光学张力计的范围从完全手动系统到全自动仪器。

光学张力计有时也称为光学或接触角测角计、接触角计或滴形分析仪。基本上所有这些都意味着类似类型的仪器，我们使用的名称光学张力计。

静态接触角与光学张力计

无柄滴测量是最常用的接触角测量方法。在实践中，将液滴放置在固体表面上，并记录液滴的图像。然后通过拟合液滴周围的Young-Laplace方程来定义静态接触角，尽管也可以使用其他拟合方法，如圆和多项式。

也可以测量被称为俘获气泡的倒立无柄液滴。特别将游离泡测量方法应用于隐形眼镜的润湿性研究。它也适用于其他高度亲水的材料，其中标准的无柄滴法具有挑战性。此外，它还广泛应用于测量浸没物接触角的应用中。例如，测量浸在水中的岩石表面上的油滴。

动态接触角与光学张力计

用光学张力计进行动态接触角的测量主要有两种方法:针法和倾斜法。

在针方法，一个小液滴首先形成并放置在表面上。然后将针靠近液滴表面，逐渐增加液滴的体积，同时记录接触角。这将给出前进接触角。后退角度的测量方法相同，但这一次，液滴的体积逐渐减小。该方法特别适用于测量电机的动态接触角超疏水表面。

在倾斜的方法，液滴被放置在基底上，然后逐渐倾斜。前进角是在液滴开始移动时在液滴的前部测量的。在同一时间点，在液滴的后部测量后退接触角。用这种方法，还可以确定滚转或滑动角度。滚出角是指液滴开始移动的倾斜角。低滚转角与低接触角滞后有关。倾斜可以通过倾斜样品台或倾斜整个仪器来完成。

用光学张力计校正粗糙度接触角

将表面粗糙度和接触角的测量结果结合起来测量粗糙度校正后的接触角。光学张力计与地形测量模块相结合便于粗糙度测量。粗糙度与接触角在同一点测量。

粗糙度比用于校正表面粗糙度的接触角。粗糙度比定义为实际和投影固体表面积之间的比值(光滑表面r = 1，粗糙表面> 1)。文策尔方程阐述了粗糙度比与测量接触角和校正接触角的关系。值得注意的是，温泽尔方程假设液体完全渗透到粗糙度沟槽中。

力张力测量由一个高灵敏度的天平组成，其中样品通过钩子连接。测试液体被放置在样品台上的测量杯上，可以手动或自动移动。力张力计的范围从完全手动的独立系统到完全自动化的计算机控制仪器。对于接触角的测量全自动仪器使用。

用力张力计测得的接触角始终是前进角和后退角以及接触角滞后量。由于该方法的动态性质，不可能测量静态接触角。

威廉板法

用力张力计测量接触角是基于所谓的威廉板法。力张力计测量固体样品与被测液体接触时影响平衡的质量。当液体的表面张力和样品的周长已知时，就可以计算出接触角。当样品浸入液体时测量前进角，当样品从液体中抽出时测量后退角。由于样品的周长必须知道，所以样品必须是矩形或棒状的。接触角是浸入测试液体的整个区域的平均值。这意味着表面必须是相同的两侧和边缘的样本。威廉板不适合接触角测量的表面处理只做了一面的样品。

由于接触角测量在许多工业领域被发现是有用的，因此对更多非常规样品(如纤维、粉末)以及标准微升尺寸滴不适合的小区域测量接触角的需求也越来越大。

纤维接触角的测量

纤维和其他细物体的测量可以用配备有皮升分配器的光学张紧计、用半月板法或用威廉法的力张紧计进行。利用光学张力计，皮升分配器可以在空气中产生直径约为30 μm的液滴。有了特殊的光学设备和高速摄像机，就有可能拍摄到这个小液滴的图像，并且可以用与使用微升大小的液滴类似的方式确定接触角。

半月板测量也可用于纤维。在这种方法中，样品首先浸入液体中。当样品从液体中拉出时，形成一个半月板，用光学方法测量接触角。如果光纤较细(200 μm以下)，则需要特殊的光学器件。

另一方面，力张力计可以通过利用纤维的特殊支架来使用。低至7 μm的纤维可以测量。应该注意的是，用皮升液滴测量得到的是静态接触角，而Wilhelmy方法是动态的，可以给出前进角和后退角。用半月板法测得的接触角介于两者之间，不能与用其他两种方法测得的接触角直接比较。

粉末接触角的测量

粉末接触角可通过对压缩的粉片进行无柄滴量测量或使用沃什伯恩法的力张力计进行测量。当测量压缩片剂时，如果粉末是亲水的，它可以像吸收基板一样，如果粉末是疏水的，液滴可以停留在表面。片剂压缩的主要问题是片剂的表面特性可能会有很大的变化，这可能导致对结果的误解。通过测量粗糙度校正后的接触角，可以考虑平板表面的粗糙度。

为了研究松散粉末，必须使用Washburn方法。在这种方法中，粉末被包装在一个底部有孔的圆柱体中。将支架轻微浸入测量液中，记录液体摄取随时间的变化。通过Washburn方程，液体穿透所需的时间与接触角有关。由于该方法是基于毛细作用时，接触角限制在90°以下。

小面积接触角测量

在某些情况下，接触角的测量需要在小面积上进行。这可以是任何东西，从印刷电路板到导管表面。对于这些测量，需要皮升大小的液滴。测量可以用光学张力计来完成，配备了一个皮升分配器，产生足够小的液滴，以适应被测量的位置。液滴显示需要高倍率的光学器件。除此之外，该测量方法与标准静态接触角测量方法相似。

接触角测量通常是在环境条件下进行的，但在某些情况下，温度甚至压力都需要控制．

对于温度控制，光学和力张力计都有冷却和加热选项。冷却和加热最典型的是使用循环器，可以将温度控制在从零下到150°C的大范围内。如果需要更高的温度，光学张力计可以配备电热室，最高可达250°C。

对于在高压下的测量，a高压张力计是必需的。除了接触角测量所需的标准相机和光源外，高压张力计还包括一个高压室。该仪器允许接触角测量高达400巴，温度范围从1到200°C。高压张紧计特别用于研究储层条件下的润湿性提高采收率优化。

有几种不同的用光学张力计测量接触角的标准．标准主要与非常实际的应用有关，如表面清洁度和等离子或电晕处理后的表面评价．也有标准表面自由能的测定通过接触角测量和更一般的指导方针，如何执行动态接触角测量与针或倾斜法。