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動(dòng)態(tài)接觸角測(cè)量方法實(shí)現(xiàn)方式

2018-1-29 21:02:54
用座滴法測(cè)量動(dòng)態(tài)接觸角有二種基本的方法:
1) 加液/減液法
就是在形成液滴后,再繼續(xù)以很低的速度往液滴加入液體,使其體積不斷增大。開(kāi)始時(shí),液滴與固體表面的接觸面積并不發(fā)生變化,但接觸角漸漸增大。當(dāng)液滴的體積增大到某一臨街值時(shí),液滴在固體表面的三相接觸線(xiàn)發(fā)生往外移動(dòng),而在發(fā)生移動(dòng)前瞬間的接觸角,被稱(chēng)為前進(jìn)角。在此之后,接觸角基本保持不變。
反之如果從一形成的液滴不斷地以很低的速度把液體移走,使其體積減小。開(kāi)始時(shí),液滴與固體表面的接觸面積也并不發(fā)生變化,但接觸角漸漸減小。當(dāng)液滴的體積減小到一定值時(shí),液滴在固體表面的固/液/氣三相接觸線(xiàn)開(kāi)始往里移動(dòng)。在發(fā)生這一移動(dòng)前夕的接觸角,就是后退角。在此之后,接觸角也應(yīng)基本保持不變。
1) 加液/減液法測(cè)量前進(jìn)/后退接觸角
在運(yùn)用這一方法時(shí),必須注意以下幾點(diǎn):
體積變化的速度應(yīng)足夠低,盡量保證液滴在整個(gè)過(guò)程有足夠的時(shí)間來(lái)松弛,使得測(cè)量能在準(zhǔn)平衡下進(jìn)行。
由于這一過(guò)程中一般都有針頭/毛細(xì)管的卷入以加入/移走液體,針頭/毛細(xì)管的直徑一定要(與液滴相比)足夠小,使液體在針管/毛細(xì)管外壁上的潤(rùn)濕不會(huì)對(duì)液滴在固體表面的接觸角產(chǎn)生影響。這一點(diǎn)尤其是對(duì)后退角的測(cè)量更為突出,否則測(cè)得的值將嚴(yán)重偏離真實(shí)值。
同樣由于過(guò)程中針頭/毛細(xì)管的卷入,使得液滴一般不再呈現(xiàn)中心軸對(duì)稱(chēng),也不再能被看作是圓或橢圓的一部分,所以基于Young-Laplace或圓或橢圓方程式的計(jì)算方法都將遇到困難,帶來(lái)較大誤差。此時(shí)一般使用廣義切線(xiàn)法,但此方法往往對(duì)少量的背景噪音較敏感。
2) 傾斜板(tilting plate)法
將一足夠大體積的液滴置于待測(cè)的樣品表面后,把樣品表面朝一方緩慢、不斷地傾斜。當(dāng)開(kāi)始時(shí)液滴不發(fā)生移動(dòng),而只是其中的液體由后方向前方轉(zhuǎn)移,使得前方的接觸角不斷增大,而后方的不斷縮小。當(dāng)傾斜到一定角度時(shí),液滴開(kāi)始發(fā)生滑動(dòng)。發(fā)生滑動(dòng)前夕液滴的前角就是前進(jìn)角,后角則為后退角。
2) 傾斜板(tilting plate)測(cè)量前進(jìn)/后退/起始滾動(dòng)角
傾斜板法有二種實(shí)現(xiàn)方法:
整體傾斜法:將整套測(cè)量?jī)x置于搖籃狀的傾斜架上,讓包括攝像機(jī),光學(xué)鏡頭,樣品臺(tái),樣品和光源等組件的整套儀器同時(shí)傾斜。這種構(gòu)造和操作的主要優(yōu)點(diǎn)在于:液滴相對(duì)于攝像機(jī)和光學(xué)鏡頭在整個(gè)過(guò)程中保持相對(duì)不傾斜,這樣軟件開(kāi)發(fā)上就不必特殊處理,計(jì)算比較容易。 而其缺點(diǎn)也很為明顯:儀器越大、樣品越大/越重,所需要的傾斜架也越大,顯得很笨重;由于儀器上的所有東西都跟著一起傾斜,使得有些液體會(huì)倒出來(lái),同時(shí)使得在傾斜作態(tài)無(wú)法加液產(chǎn)生液滴,也即液滴必須在傾斜前已經(jīng)被置于樣品表面。
局部?jī)A斜法:只傾斜樣品臺(tái)和其上面的樣品包括可能已放置上去的液滴,其它的所有部件均不傾向,保持不動(dòng)。 這樣做法的優(yōu)點(diǎn)顯而易見(jiàn),可以避免上面提到的所有缺點(diǎn),使得儀器精巧,硬件制造成本降低,也能容許在任何傾斜角度下加液形成新液滴,或往已經(jīng)形成的液滴加入液體。但其也對(duì)軟件的開(kāi)發(fā)提出了新的挑戰(zhàn),增加了不少難度和復(fù)雜性。可以完美地對(duì)付各種形狀的液滴,包括處于傾斜下的極度不對(duì)稱(chēng)的液滴,計(jì)算接觸角的精度比普通方法大為提高。這使得我們不但可用此方法來(lái)更好地處理傾斜板法的液滴,也為處理加液/減液法下的液滴提供了一高可靠性的新方法。 
注意:市場(chǎng)上有不少儀器提供這種局部?jī)A斜法的硬件,但多數(shù)都沒(méi)有相應(yīng)軟件的支持。這并不能為用戶(hù)帶來(lái)多大好處,也無(wú)法完成上面提到的大多數(shù)功能。
使用傾斜臺(tái)測(cè)量接觸角,主要可以測(cè)量前進(jìn)角和后退角外,還可進(jìn)行下的測(cè)量:
某一傾斜角度時(shí)的兩側(cè)接觸角的差別,及這一差別隨傾斜角的變化;
某一傾斜角度時(shí)的液滴的起始滾動(dòng)/滑動(dòng)體積;
某一特定體積的液滴的起始滾動(dòng)/滑動(dòng)傾斜角度(roll-off angle);
從液滴的前進(jìn)接觸角和后退接觸角可以推算出相應(yīng)的近似楊氏(Young)接觸角。
以上的測(cè)量對(duì)許多潤(rùn)濕/傳質(zhì)過(guò)程都很重要。在實(shí)際應(yīng)用中,不但要知道接觸角的大小,也必須知道前進(jìn)接觸角和后退接觸角以及二者的差別;在許多實(shí)際情況下,表面往往是傾斜的,所以在傾斜的情況下考察接觸角的特性行為也就顯得再自然不過(guò),得到的結(jié)果也能更好地反映實(shí)際情況。對(duì)于某些液體的超疏水性特性,只有知道了前進(jìn)接觸角和后退接觸角以及液滴的起始滾動(dòng)傾斜角度才能較完整地表征。
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