Прибор для измерения угла контакта / поверхностного натяжения: от принципа к полному анализу применения

Угол контакта и поверхностное натяжение являются основными параметрами науки о поверхности материала, первый отражает смачиваемость жидкости к твердому телу, а второй - сцепление между молекулами поверхности жидкости. Прибор для измерения угла контакта / поверхностного натяжения преобразует микроскопические капли в количественные данные с помощью оптических изображений и математического моделирования.

Принцип тестирования: точная количественная оценка на основе механики интерфейса

Уравнение Янга и определение смачиваемости

Когда капля соприкасается с твердой поверхностью, натяжение на трехфазной границе между твердым и жидким газом достигает равновесия, образуя контактный угол тета. Уравнение Янга (гамма sv = гамма sl + гамма lv cos тета) раскрывает связь между углом соприкосновения и поверхностной свободной энергией: тета < 90° для гидрофильной поверхности (например, вода растягивается на стекле), тета > 90° для осушенной поверхности (например, вода сжимается на листьях лотоса). Это уравнение является теоретической основой для измерения угла контакта.

Динамический угол контакта и запаздывание

Контролируя процесс расширения и регрессии капли, можно измерить угол переднего контакта (область, в которой жидкость не смачивается) и угол обратного контакта (область, в которой жидкость увлажнена). Чем больше задержка угла контакта (дельта - тета = тета adv - тета rec), тем значительнее шероховатость поверхности или химическая неоднородность. Например, угол запаздывания сверхгидрофобной поверхности (тета > 150°) обычно составляет менее 5°, в то время как угол запаздывания грубой металлической поверхности может достигать более 30°.

Метод измерения поверхностного натяжения

Метод суспензии: расчет поверхностного натяжения путем анализа геометрических параметров контура капли (например, отношение диаметра к D / d) в сочетании с уравнением Young - Laplace. Этот метод применим к высокотемпературным расплавленным металлам или коррозионным жидкостям.

Метод платиновой пластины: платиновая пластина, обработанная пескоструйной обработкой, погружается в жидкость, а при балансировании поверхностного натяжения с обратной силой прибора значение поверхностного натяжения преобразуется в глубину погружения. Испытания дистиллированной воды могут быть завершены за 5 секунд с точностью ±0,1 мН / м.

II. Процесс тестирования: стандартизированный процесс от подготовки образцов до анализа данных

Подготовка и предварительная обработка образцов

Образец массивной / тонкой пленки: размер должен быть больше 2 см × 2 см, погрешность выравнивания поверхности - 5 мкм. Для искривленных поверхностей (например, оптического волокна) требуется технология 3D - тестирования угла контакта.

Образец порошка: прессование таблеток с помощью инфракрасного пресса толщиной ≥1 мм. Если образец прикрепляется к пресс - форме, на поверхностной прокладке может быть добавлена взвешенная бумага.

Образец жидкости: для испытания на поверхностное натяжение требуется ≥ 1 мл, для определения чистоты требуется ≥ 99,9% (например, вторичная дистиллированная вода).

Алгоритм сбора и согласования данных

Статический угол контакта: использование квазилегального метода Young - Laplace (с точностью ±0,5 °) или касательного метода (для тета < 120 °). Для асимметричных капель (например, разница в усиках слева / справа > 10°) требуется алгоритм ADSA - RealDrop.

Динамический угол контакта: угол прокрутки измеряется с помощью наклонной платформы (0 - 90°) или скорость изменения объема капли (0,1 - 10мкл / с) захватывает угол вперед / назад.

Расчет поверхностной свободной энергии: на основе модели Оуэнса - Уэндта (для полярных / неполярных поверхностей) или модели Фоукса (для низкоэнергетических поверхностей) необходимо измерить угол контакта по крайней мере трех известных поверхностных натяжений жидкостей (например, воды, * * * *, этанола).