如何選購動態接觸角測量儀以及動態接觸角測試的關鍵技術要點

本文總結了目前動態接觸角測量儀的一些方法，技術以及其他問題。供大家參考。

1、何謂動態接觸角測量儀？

通常情況下，很容易將動態接觸角測試或動態接觸角測量儀與時間起來，即動態接觸角測量儀測試的是隨時間變化而變化的接觸角值。從某些應用而言，比如考察表面活性劑的吸附、溫濕度變化以及揮發、吸水等情況時，隨時間變化而變化的接觸角測試是接觸角測量儀的常規應用。但是，對于接觸角測量儀而言，動態接觸角測試或動態接觸角測量儀是一個特殊的測試方法或應用。此處，動態接觸角測量通常是指測試被測固體材料的前進后、后退角，進而分析測試存在表面粗糙度或化學多樣性條件時，被測固體材料可能存在的滯后接觸角情況，基于Wenzel-Cassie模型的熱平衡接觸角值（本征接觸角值）。動態接觸角測量儀通常是指具有測試被測材料的前進角（Advanced contact angle）、后退角（Receded contact angle）和滾動角（Roll off angle），以及本征接觸角值的分析測試儀器。

2、動態接觸角測量儀從大類分有哪些類別？

動態接觸角測量儀從大類分主要分為兩大類，一種是基于潤濕天平技術的威廉板法（Dynamic Wilhelmy Plate method），另一種為基于光學原理的光學接觸角測量儀（Optical contact angle meter）。兩種方法測試技術存在本質的區別。由于如下原因，動態接觸角測試技術目前沒有得到廣泛的研究，相關研究僅僅停留在就前后、后退角、滾動角而測試角度。沒有深入到熱平衡接觸角或采用前進、后退角技術進而分析固體材料的表面自由能。*，目前為止沒有任何文獻對于兩種方法的測值結果進行過對比。同時，由于動態接觸角測試技術涉及的界面化學知識主要為由于表面精糙度、表面形貌或化學多樣性存在而導致的接觸角滯后，分析采用的模型目前較為被學術界廣為接受的是Wenzel-Cassie模型。第二、動態接觸角的兩個測試技術本身存在發展不足，影響了動態接觸角測量儀的被接受程度。這主要體現為，視頻光學方法接觸角測量儀的接觸角測試算法停留在切線法（如一次、二次曲線方程或復合方程）階段，僅僅為幾何算法的測試，測試時受接觸點位置噪聲影響非常大，測值重復性不高。基于分析天平的表面張力儀的威廉板法測試動態接觸角值時，其接觸角值的意義本身無法與光學接觸角測量值得到的接觸角值相類比，僅僅是一種可能可行的測試方法選項。且在測試時，受材料本身幾何尺寸以及粗糙度變化影響非常大，也很難形成如彈片一樣在被測固體表面的彈跳式的前進、后退角滯后的接觸角現象，因而測值結果可接受程度比較低。

3、光學法動態接觸角測量儀的測試方法有哪些？各自的優缺點是什么？

動態接觸角測量儀主要有三種方法。目前所知較多的兩種，為增加、減少液體法和旋轉樣品臺方法。

（1）增加減少液體量的方法（針頭在液體里）

前進角是指通過增加液體并形成液滴在固體表面移動時瞬間的角度值，advancing contact angle, θa；后退角是指通過減少注體并形成液滴在固體表面移動時瞬間的角度值，receding contact angle, θr。兩者之間的差值稱為滯后接觸角值，contact angle hysteresis, H, (H ≡θa −θr)。此種方法測試前進、后退角可以形像的描述為一個彈片效果，即彈片一端被拉住后，另一端變形，何時拉住的那端的彈片無法保持住為止。因而，并非簡單的大接觸角或小接觸角值可以表征此種方法的前進后退角值。

（2）旋轉樣品臺的方法（滾動角）

此種方法通過旋轉樣品臺至一定的角度，此時，液滴同樣會傾向于往下滾動，下端角度比較大的接觸角值稱為前進角值，上端側角度比較小的接觸角值稱為后退角值。兩者之間的差值稱為滯后接觸角值，contact angle hysteresis, H, (H ≡θa −θr)。

在本方法中請注意，滾動角并非是前進角－后退角。滾動角是指在某固定體積條件下的液滴，在固體樣品傾斜后液滴在樣品表面滾動瞬間時的角度值。因而，液體的體積量以及相對應的傾斜角度值，此時的前進、后退角值均是關鍵信息。

（3）通過在樣品上面打孔，并從樣品下方增加和減少液滴量的方法。

此方法由ADSA－P提出者A.W.Neumann團隊提出。增加液體并形成液體在固體表面的移動瞬間的角度稱為前進角，而減少液體并形成液體在固體表面的移動瞬間的角度稱為后退角。同樣，兩者之間的差值滯后接觸角值，contact angle hysteresis, H, (H ≡θa −θr)。本方法與*種增加、減少液體量的方法異曲同工，但優勢相對明顯，沒有針頭的干擾，測值的重復性會較好。

三種動態接觸角測試方法（前進、后退角測試方法）的優缺點：

4、3D形貌分析與測試動態接觸角值的接觸角滯后有何關聯？需要專門的3D形貌分析模塊？

3D形貌分析本身對于測試動態接觸角沒有關聯。3D形貌儀或表面粗糙度儀表征出來的僅僅是粗糙度的概念，而接觸角滯后的影響因素非常多，包括化學多樣性、異構性、表面粗糙度等等。且3D形貌測試所得的粗糙度值是否可以直接代入Wenzel方程修正計算得到真實接觸角或本征接觸角值，其界面化學意義仍待商榷。

測試表面粗糙度有許多方法。目前主流的方法均可以在網絡上查找。而表面形貌通常是通過的掃描電鏡顯微鏡或的3D形貌儀器來表征。所以，如果需要表征3D形貌，則可以采購儀器。

如果就測試動態接觸角值而言，3D形貌的意義并不大。動態接觸角測試需要的是的算法以及機械結構。而目前廣為接受的熱平衡接觸角值測試模型為基于Wenzel-Cassie模型的Tadmor法。參考文獻為（As-placed contact angles for sessile drops, Journal of Colloid and Interface Science 317 (2008) 241–246）。

5、動態接觸角測量的軟件測試算法或測試方法有哪些？各自的優缺點為什么？

目前，測試動態接觸角值的算法主要為一次曲線（直線）切線法、二次曲線擬合法、雙圓曲線擬合法、復合曲線法、曲線尺法以及ADSA－NA算法、ADSA－RealDrop算法。

6、哪家公司為世界*家創導視頻光學動態接觸角測試技術的公司？

美國科諾工業有限公司為世界*家倡導并于視頻光學接觸角測量技術的公司。我們于世界*家提供技術的滾動角測試平臺，采用了蝸輪蝸桿技術的精密光學旋轉平臺，角度精度可達0.007度，近零回程間隙設計。同時，采用了技術的ADSA-RealDrop算法，基于Young-Laplace方程擬合技術，整體輪廓計算前進角、后退角值。同時，*提供實時測試基于Wenzel-Cassie模型的Tadmor法的本征接觸角測試值以及基于chibowski算法的表面自由能估算法（通過前進角、后退角計算固體的表面自由能）。Chibowski法表面自由能是目前*提供基于接觸角滯后分析的固體表面自由能算法。而CAST3.0為目前世界*支持該算法的軟件。

 本文版權歸美國科諾工業有限公司及上海梭倫信息科技有限公司。如引用，請注明來源。未經授權，不得引用或摘抄。我公司保留一切權利。本文版權自2017年3月3日始。