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表面張力儀/接觸角的工作原理

來源:蘇州福佰特儀器科技有限公司   2025年08月06日 16:36  

   

       接觸角/表面張力儀:從原理到應(yīng)用全面解析

        接觸角與表面張力是材料表面科學(xué)的核心參數(shù),前者反映液體對固體的潤濕性,后者表征液體表面分子間的內(nèi)聚力。接觸角/表面張力儀通過光學(xué)成像與數(shù)學(xué)建模技術(shù),將微觀液滴形態(tài)轉(zhuǎn)化為量化數(shù)據(jù)。

     一、測試原理:基于界面力學(xué)的精密量化

       Young方程與潤濕性判定

        當(dāng)液滴接觸固體表面時,固-液-氣三相界面張力達(dá)到平衡,形成接觸角θ。Young方程(γ_sv = γ_sl + γ_lv cosθ)揭示了接觸角與表面自由能的關(guān)系:θ<90°為親水表面(如水在玻璃上鋪展),θ>90°為疏水表面(如水在荷葉上收縮)。該方程是接觸角測量的理論基礎(chǔ)。

      動態(tài)接觸角與滯后現(xiàn)象

     通過控制液滴的鋪展與回縮過程,可測量前進(jìn)接觸角(液體未潤濕區(qū)域)和后退接觸角(液體已潤濕區(qū)域)。接觸角滯后(Δθ=θ_adv-θ_rec)越大,表明表面粗糙度或化學(xué)不均勻性越顯著。例如,超疏水表面(θ>150°)的滯后角通常小于5°,而粗糙金屬表面的滯后角可達(dá)30°以上。

    表面張力測量方法

     懸滴法:通過分析液滴輪廓的幾何參數(shù)(如直徑比D/d),結(jié)合Young-Laplace方程計算表面張力。該方法適用于高溫熔融金屬或腐蝕性液體。

     鉑金板法:將噴砂處理的鉑金板浸入液體,當(dāng)表面張力與儀器反向力平衡時,通過浸入深度換算表面張力值。蒸餾水的測試可在5秒內(nèi)完成,精度達(dá)±0.1mN/m。

二、測試過程:從樣品制備到數(shù)據(jù)分析的標(biāo)準(zhǔn)化流程

      樣品準(zhǔn)備與預(yù)處理

      塊狀/薄膜樣品:尺寸需大于2cm×2cm,表面平整度誤差≤5μm。對于彎曲表面(如光纖),需采用3D接觸角測試技術(shù)。

      粉末樣品:使用紅外壓片機(jī)壓制成片,厚度≥1mm。若樣品粘附模具,可在表面墊加稱量紙。

      液體樣品:表面張力測試需≥1mL,純度要求≥99.9%(如二次蒸餾水)。

    數(shù)據(jù)采集與擬合算法

      靜態(tài)接觸角:采用Young-Laplace擬合法(精度±0.5°)或切線法(適用于θ<120°)。對于非軸對稱液滴(如左/右接觸角差值>10°),需使用ADSA-RealDrop算法。

      動態(tài)接觸角:通過傾斜臺(0-90°)測量滾動角,或控制液滴體積變化率(0.1-10μL/s)捕捉前進(jìn)/后退角。

       表面自由能計算:基于Owens-Wendt模型(適用于極性/非極性表面)或Fowkes模型(適用于低能表面),需測量至少3種已知表面張力的液體(如水、二***、乙二醇)的接觸角。


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