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水滴角测量仪及可润湿包络图( wetting envelope)

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接触角测量仪通常意义上是以光学影像法测量接触角作为其通常的方法,可用于评估固体材料表面的物理化学性质;而水滴角测量仪是指采用蒸馏水或超纯水作为探针液体,评估固体材料的物理化学性质的测试仪器。从如上意义上来讲,通常意义上的接触角测量仪或水滴角测量仪的测量对像或应用的对像是以固体材料为主。

接触角测量仪或水滴角测量仪的应用包括:

1、仿生材料的接触角或水接触角测量:主要用于评估固体材料的超疏水性,如仿荷叶效应、水稻叶等。

2、材料表面清洁度分析,如评估液晶屏、OLED、晶圆(wafer)、硅片、半导体、PCB等材料的水接触角值或水滴角值测量。

3、材料表面改性,如将亲水材料改成疏水材料或改材料为超亲水材料。

以来,接触角或水滴角或水接触角的测量均是借用数码量角器的仪器进行分析的。早的历史可至1943年Zisman教授团队的显微量角法开始,直至20世纪80年代发现了计算机的圆拟合、椭圆拟合、曲线拟合(切线法)等可以量测角度以后,数码量角器法一直被用户所使用至今。但是,由于技术的以及科技的发展,量角器法的局限性显得越来越跟不上形势。至20世纪90年代,以A.W.Neumann教授团队为主的提出拟合Young-Laplace方程拟合法可以采用影像原理分析液体的表面张力值以及液液的界面张力值,进而通过分析过程可以发现,在分析中同时可以分析得到相应的接触角值。因而,出现了相应的采用Young-Laplace方程的商业化的接触角测量仪或水滴角测量仪。至此,接触角测量仪或水滴角测量仪从此从量角器法真正进入界面化学分析的阶段。

但是,正是由于初期商业化的接触角测量仪(Young-Laplace方程拟合)是脱胎于表面张力或界面张力测量,因而,在实际应用中这个前提假设的缺陷同时也非常明显,即Young-Laplace方程拟合算法无法用于实际的非轴对称条件下的接触角测量。而客观存在的事实正在于,由于材料的表面粗糙度、化学多样性以及异构性,很少有固体材料的表面会形成的轴对称图像。

这正对于接触角测量仪或水滴角测量仪的研制提出了更高的要求。上海梭伦研制并获得中国发明授权的阿莎算法(ADSA-RealDrop)真正解决了非轴对称问题,实现了接触角测量仪或水滴角测量仪测量技术方面的重大突破。

接触角测量仪或水滴角测量仪虽然有了阿莎算法后从而实现了明正言顺的应用于界面化学的分析。但是,以来还有一个问题没有被解决,即是否可以实现固体材料本身的表面张力分析,上我们称之为固体材料的表面自由能测量。

固体表面张力即固体表面自由能的测量大的问题正在于如何解决固体材料本身客观存在的表面粗糙度、化学多样性、异构性问题。虽然有Chibowski等算法对此进行了思考并付储实践。但是实际上,无论是何种算法,在真正应用于固体的表面自由能测量时,其前提假设一定是:

该分析材料尽量不存在Wenzel-Cassie模型的接触角滞后或特殊表面修饰的,举例而言,不能采用测试得到的荷叶的接触角值并用此角度值去进行套用固体表面自由能分析模型去评估其表面自由能,如此种种。

接触角测量仪或水滴角测量仪的表面自由能测量的另一个功能即为固体材料的的可润湿性分析(Wetting behavior Analysis/wetting envelope)。这是一个非常有用的工具,通过已知固体的表面自由能及其分量值,估算出接触角值某个范围内的液体的性质。如下所示:

(Wetting behavior Analysis,wetting envelope)

该接触角测量仪或水滴角测量仪的分析功能包括:

1、通过输入已经固体样品的表面自由能值,如图中的28mN/m色散力值以及12mN/m的极性力值的40mN/m表面自由能的固体样品。

2、分析接触角值为30度以内的液体性质,分为三段,每段为10度,即黄色为0-10度接触角值、绿色为10-20度接触角值、红色为20-30度接触角值。

3、采用的算法为Wu2法(通常可提供多种方法)。其中Wu2法目前效果*。

4、分析结果显示为:

(1)色散力偏大的样品(通常是指油性液体),低于横坐标黄坐标交叉点(28.3mN/m左右)的接触角值为10度以内;低于横坐标与绿坐标交叉点(29.75mN/m左右)的为20度以内接触角值;低于横坐标与红坐标交叉点(32mN/m以内)的接触角值为30度以内。

(2)而对于该样品,如果样品的极性力偏大(通常是水性液体),要求其表面张力通常要7mN/m以内方可实现对其接触角值小于30度。参考纵坐标与各包络图的交叉点。

5、对于如上举例样品而言,接触角测量仪或水滴角测量仪的这项功能告诉我们:

(1)该样品如果想要印刷或喷涂材料,以油性涂料或墨水为主;

(2)水对于其的接触角值不可能小于30度;因为水的表面张力值为72mN/m,远高于7mN/m。

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