прибор для измерения угла контактаЭто прибор для измерения угла контакта жидкости с твердым телом, который в основном используется для оценки проникновения жидкости в твердое тело, а затем для анализа физико - химических свойств поверхности твердого тела, таких как смачиваемость, чистота, однородность и свободная энергия поверхности. Он имеет широкое применение в области материаловедения, химии, биологии, микроэлектроники, технологии покрытия и других областях.

В этой статье будет проведен всесторонний анализ контактного измерителя по следующим аспектам:

I. ОСНОВНАЯ КОНЦЕПЦИЯ ПУНКТА КОНТАКТА

Принцип работы контактного угломера

Основные типы контактных угловых измерителей

Состав и ключевые компоненты прибора для измерения угла контакта

V. Методы измерения угла соприкосновения

VI. Этапы использования контактного угломера

VII. Обработка и анализ данных

VIII. Внимание и области применения

I. ОСНОВНАЯ КОНЦЕПЦИЯ ПУНКТА КОНТАКТА

определение

Угол контакта (contact angle) - это угол между касательной контура капли и твердой поверхностью на стыке трех фаз жидкости - твердой, жидкостно - газовой, твердой - газовой, когда капля достигает равновесия на твердой поверхности, как правило, выражается тета.

Критерии принятия решений:

Тета < 90°: гидрофильный (жидкость увлажняет твердые поверхности, например, капли воды на чистое стекло)

Тета > 90°: жидкий разрез (жидкость не легко смачивает твердые поверхности, такие как ртуть на стекле)

Тета - 0 °: увлажнение

Тета - 180°: не смачивается (гипергидрофобия)

Применимое значение:

Измеряя угол контакта, можно получить информацию о смачиваемости, шероховатости, химическом составе и эффектах обработки поверхности материала.

II.Принцип работы контактного угломера

Прибор для измерения угла контакта вычисляет параметры формы капли на основе принципов оптического изображения и геометрических / механических моделей, тем самым изменяя размер угла контакта. Основные направления его работы заключаются в следующем:

Добавляйте капли микрокапель (обычно от 1 до 10 мкл) к поверхности твердого образца, подлежащего измерению;

Получение изображений капель с помощью камеры высокого разрешения;

Программное обеспечение для обнаружения края изображения, профиля капли экстракции;

В соответствии с кривой контура капли, используя алгоритм аппроксимации (например, квазилегальность окружности, квазилегальность эллипса, квазилегальность уравнения Young - Laplace и т. Д.) для расчета угла контакта;

Вывод результатов измерений и дальнейший анализ таких параметров, как поверхностная энергия.

Основные типы контактных угловых измерителей

Статический измеритель угла контакта: измерение угла контакта капель в стационарном состоянии.

Динамический прибор для измерения угла контакта: измерение угла вперед и угла назад путем наклона стенда для отбора проб или увеличения / уменьшения объема капель для изучения смачиваемости и гистерезиса.

Анализатор поверхностной энергии методом висячих капель: для расчета энергии твердой поверхности используется измерение поверхностного натяжения инвертированной жидкости в форме висячих капель.

Угловой контактный прибор интерфейсного потока: в сочетании с динамическим углом контакта и характеристиками расширения интерфейса, подходит для изучения взаимодействия вязкой и упругой жидкости с интерфейсом.

Состав и ключевые компоненты прибора для измерения угла контакта

Стенд для отбора проб: используется для фиксации проб измеренных твердых веществ, обычно с функцией горизонтальной регулировки и нагрева.

Система впрыска жидкости: микроинъекционный насос или ручной шприц, который точно контролирует объем капель.

Система сбора изображений: камера высокой четкости CCD или CMOS, которая использует объектив микроскопа для получения изображений капель.

Источник света: обеспечивает однородную, стабильную подсветку (обычно используемый светодиодный источник холодного света), усиливает контраст края капли.

Система контроля окружающей среды образца (необязательно): полость контроля температуры, контроль влажности, контроль атмосферы и так далее.

Аналитическое программное обеспечение: для обработки изображений, извлечения профилей, вычисления угла контакта, экспорта данных и генерации отчетов.

　　
V. Методы измерения угла соприкосновения

Метод седловой капли (Sessile Drop Method) - часто используется

Капли капают на твердую плоскую поверхность и измеряют статический угол контакта после стабилизации.

Можно провести тест на одну каплю, несколько капель (различные жидкости), сравнить поверхностную смачиваемость.

Метод наклона (Tilting Method)

При медленном наклоне стенда для образцов после стабилизации капли регистрируется изменение угла контакта передней и задней кромки капли, получая угол вперед (Advancing angle) и угол назад (Receding angle).

Используется для оценки запаздывания угла контакта и неровности поверхности.

Метод увеличения / уменьшения жидкости (Needle - in / out Method)

Используйте инъекционную иглу для вставки или извлечения жидкости, изменения объема капли, наблюдения изменения угла при движении контактной линии.

Также используется для определения угла движения вперед и угла отступления.

Метод висячих капель (Pendant Drop Method)

Используется для измерения поверхностного натяжения жидкости и косвенного расчета энергии твердой поверхности.

Непосредственно щупальца не измеряются, но часто используются при анализе поверхностной энергии.

Закон Вильгельми Плате (Wilhelmy Plate)

Измеряя изменения силы при погружении твердой пленки в жидкость, вычисляется угол контакта и поверхностная энергия.

Применяется к гибким материалам, таким как волокна и пленки.

VI. Этапы использования контактного угломера

Включите подогрев: включите источник света, систему камеры и компьютер, подогрейте 10 - 30 минут, чтобы обеспечить стабильность.

Подготовка образца:

Обеспечить, чтобы поверхность образца была чистой, ровной и незагрязненной.

Можно промыть растворителем (например, этанолом, ацетоном) и высушить.

Если требуется высокотемпературное тестирование, установите образец на пульт управления температурой.

Калибровочный прибор:

Корректировка уровня стенда для отбора образцов (использование горизонтальных приборов или встроенных программных средств калибровки).

Фокусируйте изображение, убедитесь, что край капли чист.

Капли с каплями:

Используйте капли микрошприца плюс капли заданного объема (рекомендуется от 1 до 5 мкл).

Избегайте контакта иглы с поверхностью образца.

Сбор изображений:

Ожидание стабилизации капель (обычно 5 - 30 секунд), получение четкого изображения.

Для повышения точности можно снимать несколько кадров подряд.

Расчет угла:

Программное обеспечение автоматически распознает профиль капли и выбирает подходящую модель (например, окружность, эллипс, Young - Laplace).

Прочитайте значения контактных точек слева и справа, получите средние или отдельные записи.

Динамическое тестирование (необязательно):

Наклоните стенд для проб или измените объем капли, повторите вышеуказанные шаги для измерения угла вперед / назад.

Сохранение и анализ данных:

Экспорт изображений, угловых значений, кривых соответствия и других данных.

Проведение статистического анализа или поверхностных расчетов.

Выключить очистку: выключить оборудование, очистить стенд для образцов и иглу для инъекций, зарегистрировать запись использования.

VII. Обработка и анализ данных

Модель расчета угла контакта:

Круговая аппроксимация: подходит для небольшого угла контакта (тета < 30°), а капли близки к сферической форме.

Эллиптическая аппроксимация: подходит для среднего угла контакта (30° < тета < 120°) с учетом гравитационного воздействия.

Соответствие Young - Laplace: точное, подходит для больших капель, больших углов соприкосновения или сложных форм с учетом поверхностного натяжения и гравитационного баланса.

Поверхность может оценить:

Используя такие методы, как Owens - Wendt, Van Oss, Zisman и другие, энергия твердой поверхности и ее полярные / дисперсионные компоненты инвертируются с помощью данных о различных углах контакта жидкостей.

Анализ запаздывания по углу контакта:

Задержка = угол вперед - угол назад, отражающий шероховатость поверхности, химическую неравномерность или влияние адсорбционного слоя.

VIII. Внимание и области применения

Внимание:

Поверхность образца должна быть чистой и сухой, чтобы избежать ошибок, вызванных загрязнением.

Объем капли должен быть умеренным, слишком сильно подвержен гравитационному воздействию, слишком маленький - размытый край.

Вибрация окружающей среды, воздушные потоки и колебания температуры влияют на точность измерения и должны работать в стабильной среде.

Многократное измерение, чтобы получить среднее значение, повышает повторяемость.

Результаты различных методов адаптации могут сильно различаться, и необходимо выбрать подходящую модель в соответствии с формой капли и теорией.

Область применения:

Оценка модификации поверхности материала (например, плазменная обработка, покрытие, наноструктура)

Разработка ультрагидрофобных / ультрагидрофильных материалов (например, самоочищающихся поверхностей, противотуманного стекла)

Анализ совместимости биоматериалов (например, клеточная адсорбция, белковая адсорбция)

Конструкция нефте - водяного сепаратора

Оптимизация процесса печати, нанесения покрытия и склеивания

контроль качества очистки полупроводниковых кристаллов

Масштабные исследования косметических и фармацевтических препаратов

Резюме

Прибор для измерения угла контакта - это высокоточный, неразрушающий инструмент для анализа поверхности, ядро которого заключается в захвате формы капли с помощью оптических средств и вычислении угла контакта в сочетании с математическими моделями. Освоение его принципов работы, правильное использование методов и методов анализа данных имеет решающее значение для оценки и оптимизации характеристик поверхности материала. С технологическим прогрессом современные контактные угловые измерители интегрировали функции автоматизации, высокой температуры и высокого давления, контроля окружающей среды и стали оборудованием в научных исследованиях и промышленной проверке качества.