技術(shù)文章 / Technical articles
接觸角測量儀作為固體界面化學(xué)性質(zhì)分析的儀器，自1940年代開始由Zisman教授團(tuán)隊(duì)提出并由R.J.Good團(tuán)隊(duì)，以及A.W.Neumann團(tuán)隊(duì)進(jìn)行升級(jí)。一直到20世紀(jì)90年代，接觸角測量儀停留在是角器階段，即通過簡單的量測物理意義上的角度，簡單的評(píng)估一下材料的親疏水性質(zhì)。而真正的接觸角測量儀是由A.W.Neumann教授團(tuán)隊(duì)提出ADSA-P算法后才得到的改變。ADSA-P算法實(shí)現(xiàn)了將重力、表面張力、接觸角值綜合參與運(yùn)算，因而，測試的接觸角值更有表征意義，更能夠體現(xiàn)為界面化學(xué)性質(zhì)中的固體的物理化學(xué)性質(zhì)。20世紀(jì)90年代同期，有一些研究人員同樣的提出了一些基于Young-Laplace方程擬合技術(shù)測試接觸角值，但是，其測試算法由于采用了Select Plane的多項(xiàng)式擬合技術(shù)，因而，測值的應(yīng)用范圍以及測試的應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)測試樣品的要求均有不同的要求。雖然在學(xué)術(shù)領(lǐng)域，Young-Laplace方程擬合技術(shù)的接觸角測量儀器沒有得到研究人員的認(rèn)可，但是，在商業(yè)化的接觸角測量儀領(lǐng)域，國外的接觸角測量儀與國內(nèi)接觸角測量儀形成的明顯的區(qū)別。
近年來，中國的接觸角測量儀廠商也出現(xiàn)了許多新的公司。這些公司的宣傳接觸角測量儀的產(chǎn)品中與國外的接觸角儀事實(shí)上在宣傳內(nèi)容上已經(jīng)非常接近。
如下所示是一個(gè)國外的接觸角測量儀的技術(shù)指標(biāo)，一個(gè)是國內(nèi)的接觸角測量儀的技術(shù)指標(biāo)。
接觸角測量儀技術(shù)指標(biāo)：
1) 可測樣品體積：350 x ∞ x 180mm（L×W×H）
2) 接觸角測量范圍：0 - 180°，分辨率：+/- 0.01°
3) 光學(xué)系統(tǒng)：軟件控制可連續(xù)調(diào)節(jié)光強(qiáng)的LED光源
4) 軟件控制攝像速度，相機(jī)速度不低于200幀/秒，且滿足分辨率130萬像素條件下
5) 相機(jī)采用高分辨率1/2’’CMOS傳感器
6) 相機(jī)光學(xué)4.5倍連續(xù)放大，焦距12mm連續(xù)可調(diào)
7) 相機(jī)拍攝角度正負(fù)3度可調(diào)
8) 樣品臺(tái)尺寸：大于100 x 100mm，樣品臺(tái)垂直方向手動(dòng)控制位移不小于40mm
9) 滴定系統(tǒng)：配備一套單液體手動(dòng)滴定系統(tǒng)，針頭式滴定，可更換液體，精度0.1uL/min
10) 軟件系統(tǒng)：能自動(dòng)錄相、實(shí)時(shí)回放和重新計(jì)算功能，接觸角實(shí)時(shí)分析
10.1) 接觸角測量：測量靜態(tài)、動(dòng)態(tài)接觸角（前進(jìn)角和后退角），測量過程可以拍攝存儲(chǔ)，提供橢圓法，圓法，高寬法等自動(dòng)擬合方法，基線調(diào)整自動(dòng)、手動(dòng)、水平、曲面等方法
配置電腦：戴爾靈越3670電腦整機(jī)（i5-8400 8G DDR4 2666MHz 128G SSD 1T 2G）" 臺(tái) 1
再看看另一個(gè)接觸角測量儀的技術(shù)指標(biāo)：
水滴角測試儀 SPEC
1） 帶表面張力和表面能測試軟件功能
2） 帶標(biāo)準(zhǔn)校正標(biāo)樣
工作臺(tái)面尺寸：120mm*150mm
? 工作臺(tái)移動(dòng)：
a) 前后移動(dòng) 手動(dòng)，行程80mm，精度0.1mm b) 左右移動(dòng) 手動(dòng)，行程80mm，精度0.1mm c) 上下移動(dòng) 手動(dòng)，行程80mm，精度0.1mm
? 樣品臺(tái)尺寸：10寸
? 進(jìn)樣器移動(dòng)：上下100mm; 左右100mm
? 工業(yè)鏡頭移動(dòng)：前后180mm（微調(diào)3mm）
? 工業(yè)鏡頭：0.7X *-4.5X高清遠(yuǎn)心連續(xù)變倍變焦顯微鏡
? CCD：SONY原裝進(jìn)口高速工業(yè)級(jí)芯片；25幀/S、60幀/S、300幀/S、1000幀/S（標(biāo)配25幀/S；可選配）
? 鏡頭角度可調(diào)試：仰視、平視、俯視多視角觀察
? 光源：LED可調(diào)節(jié)藍(lán)色基調(diào)工業(yè)級(jí)冷光源；使用壽命達(dá)貳萬伍仟小時(shí)以上
? 電源及功率：220V / 60HZ
分析軟件：
（1）國內(nèi)的接觸角測量分析軟件自動(dòng)橢圓擬合法（一鍵自動(dòng)擬合，不存在人工誤差）包括：
圓法擬合（Circle method）（適用于低角度接觸角測量）
橢圓/斜橢圓擬合法（Ellipse/Oblique ellipse）（適用于高角度接觸角擬合）
LY（應(yīng)用于120°以上高角度接觸角測量）
微分橢圓法/微分圓法（Differential circle / Differential ellipse）（應(yīng)用于不規(guī)則液滴形態(tài)接觸角的擬合）
（2）動(dòng)態(tài)接觸角擬合包括：
潤濕性能測試（Wettability）（應(yīng)用于慢性吸收材料、潤濕材料的表面吸收或潤濕性能測試，批量處理）
視頻擬合（Video analysis）（應(yīng)用于吸收或潤濕速度較快的樣品的吸收或潤濕性能測試，視頻動(dòng)態(tài)處理）
（3）動(dòng)態(tài)表面/界面張力測量（Measurement of dynamic surface / interfacial tension）（測量液體整個(gè)過程的張力變化趨勢，更的判定其真實(shí)的表面/界面張力）
（4）表面能量計(jì)算（Surface energy）（使用主流的多種表面能計(jì)算方式測量對(duì)固體表面能量進(jìn)行分析）
（5）粘附功（Adhesion work）等多功能測試
規(guī)格：
? 接觸角測量范圍：0-180°
? 接觸角測量精度：±0.1°
? 表界面張力測量范圍：0-2000mN/m；測量精度：0.01 mN/m
? 高精度自動(dòng)滴液系統(tǒng)：軟件高精度滴液系統(tǒng)；滴液精度：0.0 1μl
? 接觸角高精密儀器校準(zhǔn)片：德國原裝進(jìn)口接觸角角度校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)片3°5°8° ；60°90°120°；115°（選配）
第二個(gè)技術(shù)指標(biāo)事實(shí)上是國內(nèi)的儀器的技術(shù)指標(biāo)，僅從內(nèi)容的豐富程度來看，第二個(gè)技術(shù)指標(biāo)的豐富程度甚至比個(gè)國外的接觸角測量儀的技術(shù)指標(biāo)還好。
但是，從選購儀器而言，我們不建議以看熱鬧的方式來處理，而應(yīng)抓住本質(zhì)，特別是接觸角測量的本質(zhì)來分析。
事實(shí)上，我們的結(jié)論很簡單，如上兩款接觸角測量儀均是不符合要求的接觸角測試裝置。理由如下：
1、接觸角測量是用于測試樣品上的水滴與其形成的液滴形狀的。事實(shí)上，由于樣品上表面本身不水平或儀器加工問題導(dǎo)致樣品臺(tái)表面水平與鏡頭水平度不一致，極可能產(chǎn)生左右接觸角值不一致。同時(shí)，由于化學(xué)多樣性、表面粗糙度、表面結(jié)構(gòu)的異構(gòu)性存在，接觸角形成的液滴98%以上均是非對(duì)稱的。
其于如上理論，如上兩款儀器的硬件加工中根本沒有將如何測試事實(shí)存在的非對(duì)稱性以及樣品臺(tái)如何調(diào)整水平這個(gè)關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)列出。因而，根本無法符合現(xiàn)代接觸角測量的高要求。
事實(shí)上，測試的接觸角值本身就是一個(gè)微量的納米級(jí)或mN級(jí)的能量指標(biāo)，因而，微小的變化均會(huì)對(duì)測值結(jié)果產(chǎn)生明顯的影響。所以，接觸角測試儀器的設(shè)計(jì)必須符合這個(gè)要求。
2、接觸角測量儀的算法因符合如上非軸對(duì)稱要求。
而如上兩個(gè)接觸角測量儀將指標(biāo)中的算法僅提供了圓、橢圓或?qū)捀叻ǎ@些算法就是如上我們提及的量角器的概念。無法用于界面化學(xué)的測量。事實(shí)上，國外的儀器與國內(nèi)的儀器的區(qū)別在本質(zhì)上而言就是算法，即國外的儀器至少提供了入門接觸角測量的Young-Laplace方程擬合法，雖然這個(gè)方法已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代接觸角測量的高要求了，但是，至少在精度和數(shù)據(jù)的可靠性和科學(xué)依據(jù)方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于橢圓擬合等量角器技術(shù)。
但是，國外的儀器廠家卻因?yàn)閅oung-Laplace方程的缺陷在于無法測試左、右角度值，而本末倒置的放棄了這個(gè)方法，只提橢圓擬合。
如果誠如這樣的話，僅從技術(shù)指標(biāo)而言，客戶選購接觸角測量儀極可能會(huì)受到國產(chǎn)接觸角儀廠家的誤導(dǎo)，認(rèn)為國內(nèi)的儀器和國外的沒有區(qū)別！但是，我們?cè)诖藦?qiáng)調(diào)，接觸角測量儀非橢圓擬合等量角器所能比的。
3、樣品臺(tái)水平控制和鏡頭水平控制必須微米級(jí)精度。
