科學(xué)指南針-光學(xué)法接觸角測量方法
在做接觸角測試時,科學(xué)指南針檢測平臺工作人員在與很多同學(xué)溝通中了解到,好多同學(xué)對接觸角測量不太了解,針對此,科學(xué)指南針檢測平臺團(tuán)隊(duì)組織相關(guān)同事對網(wǎng)上海量知識進(jìn)行整理,希望可以幫助到科研圈的伙伴們;
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測量液體在固體表面接觸角一般有二種方法:天平稱量法和光學(xué)法。
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天平稱量法是一間接測量法,是薄板法表面張力測量儀的副產(chǎn)物。這一方法只適用于幾何形狀規(guī)則的固體表面(如圓柱體和長方形薄板),而且測量的也只能是整個接觸周邊表面(periphery of the wetted surface)上的平均接觸角值,不能只限于測量其中的一個面。
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光學(xué)法是建立在直接觀測液滴在固體表面的接觸界面的測量法,是一種直接測量法。它幾乎不受固體表面幾何形狀和尺寸的限制,適用性廣,測量模式眾多,而且測量多可在與實(shí)際應(yīng)用相同或相似的條件下進(jìn)行。自從引入了相機(jī)和數(shù)字圖像處理后,視頻光學(xué)法不但大大提高了測量的自動化程度和速度,減少了人為主觀因素的影響,而且使得測量的精度和準(zhǔn)確性也獲得大幅度提高。
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所有的測量方法都是建立在某一模型的基礎(chǔ)上,視頻光學(xué)法也不例外。如上所述,本法是通過直接觀測液體在固體表面形成的液滴的測量法,通過測量液滴的形狀,尤其是其與固體表面相接觸處(界面)的液面(interface meniscus)形狀,來確定液體在固體表面的接觸角(參見圖 1)?;趥?cè)面(side-view)觀察法的視頻光學(xué)法都采用正交觀測法(也即從正側(cè)面觀測液滴和液面的形狀),觀測到的只是通過液滴正中軸線的一截面(orthogonal cross section),所以測量方法在一定程度上是默認(rèn)了液滴和液面的中心軸對稱性(rotational invariance),認(rèn)為從某一旋轉(zhuǎn)角截面測量得到的接觸角也同樣地可以代表所有的不同取向(旋轉(zhuǎn)角)的截面。
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圖 1 :接觸角測量示意圖
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除此之外,根據(jù)接觸角的定義,它是在液/固/流三相接觸界面處(3-phase contact points,3PCP),液面與固體表面形成的切線角,是液面走向函數(shù)在此位置的一次導(dǎo)數(shù)。但實(shí)際情況是:恰巧在這一三相接觸界面位置,由于各種因素的影響,液面的輪廓往往不很清晰,這就要求通過測量液面在其它位置的輪廓,并在某一模型的假設(shè)基礎(chǔ)上,將其輪廓(走向函數(shù))外推到三相接觸界面位置,以計(jì)算出接觸角θ。這就是為什么接觸角測量時必須采用一定的模型或計(jì)算方法的原因。
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