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晟鼎精密仪器接触角测量仪-测量前进接触角和后退接触角
发布时间:2018-01-18   点击次数:1018次

  在动态接触角及其测量部分介绍了测量液体在固体表面动态接触角的意义和必要性,在这里我们采用常用的液滴体积增、减法来考察水在聚四氟乙烯生料带样品表面的动态接触角行为。

  测量采用晟鼎精密自主研发软件支持的体积循环模式(见下图)来驱动接触角测量仪器选配的自动加液装置。在这一模式中可以设置三个不同的体积节点(V1,V2 和 V3)以及达到每个体积节点的相应速度(R1,R2和 R3)和达到每个节点后的松弛时间,这里的 R3 为反方向速度,以在zui后阶段减少液滴的体积。

Volume Cycle Mode(加液体积-时间曲线)

  具体的加液参数为:
  V1 = 6µl,V2 = 15µl,V3 = 8µl;
  R1 = 150µl/min,R2 = 6µl/min,R3 = -4µl/min。

  采用的加液针头的外径为 0.5mm。达到体积 1 后的松弛时间为 15 秒(达到体积 2 后的松弛时间被设为 2 秒),这一时间被用来将形成的 6µl 体积的液滴转移到被测样品表面的待测位置。随后可以启动录像功能或实时计算来跟踪接触角值随液滴体积增/减的变化。接触角的计算采用了 SurfaceMeter 软件的 TrueDrop™ *计算方法,它是当前用于这类测量的*(zui准确、可靠)选择。对于这类测量通过先录像事后再进行计算通常是较佳的选择。

下面三张图(图1 - 3)分别给出了液滴在达到*、第二和第三体积节点时的图像和计算结果,其中*节点相当于把液滴转移到样品表面后的静态接触角。

V1时的液滴图像图-1

V2时的液滴图像图-2

V3时的液滴图像图-3

  图-4给出了在这一过程中液滴左侧接触角值(紫色)以及液滴的三相接触点坐标(红色)随着液滴体积变化的响应图。

测量结果:接触角和三相接触点位置随着加液体积的变化图-4

  从图-4可以看到,液滴的接触角(左侧)从起始阶段(图中的O处)随着液滴体积的增加逐渐增大,但液滴的三相接触点坐标位置起始时保持不变,直到对应于图中的A处。从那时起,三相接触点坐标位置随着液滴体积的增加而外移(往左,所以坐标值减少),此阶段对应的左侧接触角值基本保持恒定,维持在 117° 左右(对应于动态前进接触角值)。这个过程中液滴的三相接触点坐标位置并非均速变化,有时甚至出现短暂的滞留,与此对应的是接触角值的相应升高(当发生滞留时)和下降(滞留后重新开始移动时)。当液滴的体积达到 V2后(图中B处)重新开始减小时,接触角值开始出现几乎线性地下降,而液滴的三相接触点坐标位置则一直到C处都基本保持不变(pinned)。随后液滴的三相接触点位置开始发生收缩,伴随着接触角值逐渐趋向一基本恒定值(约 98°,相当于后退接触角值。但由于液滴三相接触点位置的不时蠕动,接触角的值也相应地有所起伏。

  计算方法的准确性和可靠性,使得测量结果可以准确地反映出任何微小的变化:任何液滴三相接触点位置的细微变化都会导致接触角值作出相应的响应。图-4中的标有X处出现的接触角值的波动看起来像测量误差或干扰,其实它真实地反映了液滴边缘位置的真实变化。为此图-5把三相接触点位置的坐标轴尺度放大,从这里可以清晰地看出,X处出现接触角值的变化是因为对应的Y处的三相接触点位置的变化(发生短暂滑动)引起的。同样地图-5 Z处“突出”的接触角值也是与液滴边缘的变化相关。

测量结果:接触角和三相接触点位置随着加液体积的变化(放大)图-5

  测量结果表明这一体系(水滴在聚四氟乙烯生料带样品表面,室温下)的静态接触角约为 110°,动态前进接触角(advancing contact angle)约为 117°,动态后退接触角(receding contact angle)约为 98°。从而可以推算出接触角滞迟现象(contact angle hysteresis,CAH)的程度为 117-98 = 19°。

运用液滴体积增、减法来考察液体在固体表面的动态接触角行为时,应注意以下几点:

  • 采用的加液针头的外径(相对于液滴的尺寸)应该尽量小,否则加液针头的外壁会对测量的结果,尤其是后退接触角值,产生影响,使其偏离真实值。

  • 液滴的尺寸不能太小,否则测量的结果一来会受到加液针头的干扰,二来无法真实地反应样品表面的宏观尺度。一般液滴的zui大体积(V2)应在 15-30 µl 左右。

  • 液滴体积改变的速度应尽量低,一般不应高于 15 µl/min,通常采用的范围为 1-10 µl/min。只有这样才能尽可能地让液滴始终处于接近平衡的状态。

  • 一定要选用合适的接触角计算方法。在这一过程中加液针头被埋在液滴中,液滴的形状与圆或椭圆都相差甚远,也不符合普通的描述轴对称 Sessile Drop 的 Laplace-Young 方程,所以基于这些模型的接触角计算方法都不是理想的选择,会导致相当大的误差,从而不但无法准确、可靠地测量动态接触角值,也不能敏感地检测到液滴边缘的细微变化。

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