如何選購動(dòng)態(tài)接觸角測量儀以及動(dòng)態(tài)接觸角(前進(jìn)角、后退角）測試的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)

通常情況下，很容易將動(dòng)態(tài)接觸角測試或動(dòng)態(tài)接觸角測量儀與時(shí)間聯(lián)系起來，即動(dòng)態(tài)接觸角測量儀測試的是隨時(shí)間變化而變化的接觸角值。從某些應(yīng)用而言，比如考察表面活性劑的吸附、溫濕度變化以及揮發(fā)、吸水等情況時(shí)，隨時(shí)間變化而變化的接觸角測試是接觸角測量儀的常規(guī)應(yīng)用。但是，對于接觸角測量儀而言，動(dòng)態(tài)接觸角測試或動(dòng)態(tài)接觸角測量儀是一個(gè)特殊的測試方法或應(yīng)用。此處，動(dòng)態(tài)接觸角測量通常是指測試被測固體材料的前進(jìn)后、后退角，進(jìn)而分析測試存在表面粗糙度或化學(xué)多樣性條件時(shí)，被測固體材料可能存在的滯后接觸角情況，基于Wenzel-Cassie模型的熱平衡接觸角值（本征接觸角值）。動(dòng)態(tài)接觸角測量儀通常是指具有測試被測材料的前進(jìn)角（Advanced contact angle）、后退角（Receded contact angle）和滾動(dòng)角（Roll off angle），以及本征接觸角值的分析測試儀器。

 

動(dòng)態(tài)接觸角測量儀從大類分主要分為兩大類，一種是基于潤濕天平技術(shù)的威廉板法（Dynamic Wilhelmy Plate method），另一種為基于光學(xué)原理的光學(xué)接觸角測量儀（Optical contact angle meter）。兩種方法測試技術(shù)存在本質(zhì)的區(qū)別。由于如下原因，動(dòng)態(tài)接觸角測試技術(shù)目前沒有得到廣泛的研究，相關(guān)研究僅僅停留在就前后、后退角、滾動(dòng)角而測試角度。沒有深入到熱平衡接觸角或采用前進(jìn)、后退角技術(shù)進(jìn)而分析固體材料的表面自由能。，目前為止沒有任何文獻(xiàn)對于兩種方法的測值結(jié)果進(jìn)行過對比。同時(shí)，由于動(dòng)態(tài)接觸角測試技術(shù)涉及的界面化學(xué)知識(shí)主要為由于表面精糙度、表面形貌或化學(xué)多樣性存在而導(dǎo)致的接觸角滯后，分析采用的模型目前較為被學(xué)術(shù)界廣為接受的是Wenzel-Cassie模型。第二、動(dòng)態(tài)接觸角的兩個(gè)測試技術(shù)本身存在發(fā)展不足，影響了動(dòng)態(tài)接觸角測量儀的被接受程度。這主要體現(xiàn)為，視頻光學(xué)方法接觸角測量儀的接觸角測試算法停留在切線法（如一次、二次曲線方程或復(fù)合方程）階段，僅僅為幾何算法的測試，測試時(shí)受接觸點(diǎn)位置噪聲影響非常大，測值重復(fù)性不高。基于分析天平的表面張力儀的威廉板法測試動(dòng)態(tài)接觸角值時(shí)，其接觸角值的意義本身無法與光學(xué)接觸角測量值得到的接觸角值相類比，僅僅是一種可能可行的測試方法選項(xiàng)。且在測試時(shí)，受材料本身幾何尺寸以及粗糙度變化影響非常大，也很難形成如彈片一樣在被測固體表面的彈跳式的前進(jìn)、后退角滯后的接觸角現(xiàn)象，因而測值結(jié)果可接受程度比較低。

 

動(dòng)態(tài)接觸角測量儀主要有三種方法。目前所知較多的兩種，為增加、減少液體法和旋轉(zhuǎn)樣品臺(tái)方法。

（1）增加減少液體量的方法（針頭在液體里）

前進(jìn)角是指通過增加液體并形成液滴在固體表面移動(dòng)時(shí)瞬間的角度值，advancing contact angle, θa；后退角是指通過減少注體并形成液滴在固體表面移動(dòng)時(shí)瞬間的角度值，receding contact angle, θr。兩者之間的差值稱為滯后接觸角值，contact angle hysteresis, H, (H ≡θa −θr)。此種方法測試前進(jìn)、后退角可以形像的描述為一個(gè)彈片效果，即彈片一端被拉住后，另一端變形，何時(shí)拉住的那端的彈片無法保持住為止。因而，并非簡單的接觸角或小接觸角值可以表征此種方法的前進(jìn)后退角值。

（2）旋轉(zhuǎn)樣品臺(tái)的方法（滾動(dòng)角）

此種方法通過旋轉(zhuǎn)樣品臺(tái)至一定的角度，此時(shí)，液滴同樣會(huì)傾向于往下滾動(dòng)，下端角度比較大的接觸角值稱為前進(jìn)角值，上端側(cè)角度比較小的接觸角值稱為后退角值。兩者之間的差值稱為滯后接觸角值，contact angle hysteresis, H, (H ≡θa −θr)。

在本方法中請注意，滾動(dòng)角并非是前進(jìn)角－后退角。滾動(dòng)角是指在某固定體積條件下的液滴，在固體樣品傾斜后液滴在樣品表面滾動(dòng)瞬間時(shí)的角度值。因而，液體的體積量以及相對應(yīng)的傾斜角度值，此時(shí)的前進(jìn)、后退角值均是關(guān)鍵信息。

（3）通過在樣品上面打孔，并從樣品下方增加和減少液滴量的方法。

此方法由ADSA－P提出者A.W.Neumann團(tuán)隊(duì)提出。增加液體并形成液體在固體表面的移動(dòng)瞬間的角度稱為前進(jìn)角，而減少液體并形成液體在固體表面的移動(dòng)瞬間的角度稱為后退角。同樣，兩者之間的差值滯后接觸角值，contact angle hysteresis, H, (H ≡θa −θr)。本方法與種增加、減少液體量的方法異曲同工，但優(yōu)勢相對明顯，沒有針頭的干擾，測值的重復(fù)性會(huì)較好。

三種動(dòng)態(tài)接觸角測試方法（前進(jìn)、后退角測試方法）的優(yōu)缺點(diǎn)：

 

3D形貌分析本身對于測試動(dòng)態(tài)接觸角沒有關(guān)聯(lián)。3D形貌儀或表面粗糙度儀表征出來的僅僅是粗糙度的概念，而接觸角滯后的影響因素非常多，包括化學(xué)多樣性、異構(gòu)性、表面粗糙度等等。且3D形貌測試所得的粗糙度值是否可以直接代入Wenzel方程修正計(jì)算得到真實(shí)接觸角或本征接觸角值，其界面化學(xué)意義仍待商榷。

測試表面粗糙度有許多方法。目前主流的方法均可以在網(wǎng)絡(luò)上查找。而表面形貌通常是通過的掃描電鏡顯微鏡或的3D形貌儀器來表征。所以，如果需要表征3D形貌，則可以采購儀器。

如果就測試動(dòng)態(tài)接觸角值而言，3D形貌的意義并不大。動(dòng)態(tài)接觸角測試需要的是的算法以及機(jī)械結(jié)構(gòu)。而目前廣為接受的熱平衡接觸角值測試模型為基于Wenzel-Cassie模型的Tadmor法。參考文獻(xiàn)為（As-placed contact angles for sessile drops, Journal of Colloid and Interface Science 317 (2008) 241–246）。

 

目前，測試動(dòng)態(tài)接觸角值的算法主要為一次曲線（直線）切線法、二次曲線擬合法、雙圓曲線擬合法、復(fù)合曲線法、曲線尺法以及ADSA－NA算法、ADSA－RealDrop算法。

 

美國科諾工業(yè)有限公司為世界倡導(dǎo)并于視頻光學(xué)接觸角測量技術(shù)的公司。我們于世界提供技術(shù)的滾動(dòng)角測試平臺(tái)，采用了蝸輪蝸桿技術(shù)的精密光學(xué)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，角度精度可達(dá)0.007度，近零回程間隙設(shè)計(jì)。同時(shí)，采用了技術(shù)的ADSA-RealDrop算法，基于Young-Laplace方程擬合技術(shù)，整體輪廓計(jì)算前進(jìn)角、后退角值。同時(shí)，提供實(shí)時(shí)測試基于Wenzel-Cassie模型的Tadmor法的本征接觸角測試值以及基于chibowski算法的表面自由能估算法（通過前進(jìn)角、后退角計(jì)算固體的表面自由能）。Chibowski法表面自由能是目前提供基于接觸角滯后分析的固體表面自由能算法。而CAST3.0為目前世界支持該算法的軟件。

 

 本文版權(quán)歸美國科諾工業(yè)有限公司及上海梭倫信息科技有限公司。如引用，請注明來源。未經(jīng)授權(quán)，不得引用或摘抄。我公司保留一切權(quán)利。本文版權(quán)自2017年3月3日始。