Medidor de ángulo de contactoEs un instrumento utilizado para medir el ángulo de contacto de un líquido a un sólido, que se utiliza principalmente para evaluar la humectabilidad del líquido a un sólido y, a su vez, analizar las propiedades físicas y químicas de la superficie sólida, como la humectabilidad, limpieza, uniformidad y energía libre de la superficie. Es ampliamente utilizado en Ciencias de materiales, química, biología, microelectrónica, tecnología de recubrimiento y otros campos.

Este artículo analizará exhaustivamente el medidor de tentáculos de acoplamiento desde los siguientes aspectos:

I. conceptos básicos del ángulo de contacto

II. principio de funcionamiento del medidor de ángulo de contacto

III. tipos principales de medidores de ángulo de contacto

IV. composición y componentes clave del medidor de ángulo de contacto

V. métodos de medición del ángulo de contacto

VI. pasos de uso del medidor de ángulo de contacto

VII. procesamiento y análisis de datos

8. precauciones y áreas de aplicación

I. conceptos básicos del ángulo de contacto

Definición:

El ángulo de contacto se refiere al ángulo entre la sección transversal del contorno de la gota y la superficie sólida en el punto de Unión de tres fases líquido - sólido, líquido - gas y sólido - Gas cuando la gota alcanza el Estado de equilibrio en la superficie sólida, generalmente representado por theta.

Criterios de decisión:

Theta < 90 °: hidrofílico (el líquido humedece la superficie sólida, como gotas de agua sobre vidrio limpio)

Theta > 90 °: drenaje (el líquido no es fácil de humedecer la superficie sólida, como el mercurio en el vidrio)

Theta ¿ 0 °: humectante

Theta ¿ 180 °: no humectante (superhidrofóbico)

Importancia de la aplicación:

La humectabilidad, la rugosidad, la composición química y el efecto del tratamiento de la superficie de los materiales se pueden deducir midiendo el ángulo de contacto.

En segundo lugar,Principio de funcionamiento del medidor de ángulo de contacto

El medidor de ángulo de contacto calcula los parámetros de forma de las gotas basándose en el principio de imagen óptica y el modelo geométrico / mecánico, expulsando así el tamaño del ángulo de contacto. Su flujo de trabajo básico es el siguiente:

Añadir gotas trazas (generalmente de 1 a 10 μl) a la superficie de la muestra sólida a medir;

Utilizar cámaras de alta resolución para capturar imágenes de gotas;

El software detecta el borde de la imagen y extrae el contorno de la gota;

De acuerdo con la curva de contorno de la gota, se utilizan algoritmos de ajuste (como el método de ajuste circular, el método de ajuste elíptico, el método de ajuste de la ecuación Young - laplace, etc.) para calcular el ángulo de contacto;

Los resultados de la medición se exportan y se pueden analizar más a fondo parámetros como la energía superficial.

III. tipos principales de medidores de ángulo de contacto

Medidor de ángulo de contacto estático: mide el ángulo de contacto de las gotas en reposo.

Medidor de ángulo de contacto dinámico: medir el ángulo de avance y el ángulo de retroceso inclinando la Mesa de muestra o aumentando / disminuyendo el volumen de la gota para estudiar la humectabilidad y el retraso.

Analizador de Energía superficial del método de suspensión de gotas: se utiliza para calcular la Energía superficial sólida midiendo la tensión superficial del líquido de retroceso de la forma de suspensión de gotas.

Medidor de ángulo de contacto de apariencia de flujo de interfaz: combinado con el ángulo de contacto dinámico y las características de flujo de expansión de interfaz, es adecuado para estudiar la interacción entre líquidos viscosos y elásticos y la interfaz.

IV. composición y componentes clave del medidor de ángulo de contacto

Mesa de muestras: se utiliza para fijar la muestra sólida medida, generalmente con funciones de ajuste horizontal y calentamiento.

Sistema de llenado: microbomba de inyección o jeringa manual para controlar con precisión el volumen de la gota.

Sistema de adquisición de imágenes: Cámara de alta definición cc o cmos, con lente de microscopio para obtener imágenes de gotas.

Fuente de luz: proporciona una retroiluminación uniforme y estable (comúnmente fuente de luz fría led) para mejorar el contraste del borde de la gota.

Sistema de control ambiental de muestra (opcional): Cámara de control de temperatura, control de humedad, control de atmósfera, etc.

Software de análisis: para procesamiento de imágenes, extracción de contornos, cálculo de ángulos de contacto, exportación de datos y generación de informes.

　　
V. métodos de medición del ángulo de contacto

Método de caída de asiento - comúnmente utilizado

Coloque la gota líquida en la superficie plana sólida y mida el ángulo de contacto estático después de estabilizarla.

Se pueden realizar pruebas de una sola gota y varias gotas (diferentes líquidos) para comparar la humectabilidad de la superficie.

Método de inclinación

Después de que la gota se estabilizó, se inclinó lentamente la Mesa de muestra para registrar los cambios en el ángulo de contacto entre el borde delantero y el borde trasero de la gota, y se obtuvieron el ángulo de avance y el ángulo de retroceso.

Se utiliza para evaluar el retraso del ángulo de contacto y la desigualdad superficial.

Método de aumento / disminución de líquidos (needle - in / out método)

Introduzca o extraiga el líquido con una aguja de inyección, cambie el volumen de la gota y observe los cambios de ángulo al moverse la línea de contacto.

También se utiliza para determinar el ángulo de avance y el ángulo de retroceso.

Método de gota colgante (método de gota colgante)

Se utiliza para medir la tensión superficial del líquido y calcular indirectamente la Energía superficial del sólido.

Los tentáculos no se miden directamente, pero se utilizan comúnmente en el análisis de energía superficial.

Método wilhelmy Plate (método de suspensión)

El ángulo de contacto y la Energía superficial se calculan midiendo los cambios de fuerza de las láminas sólidas cuando se sumergen en el líquido.

Adecuado para materiales flexibles como fibras y películas.

VI. pasos de uso del medidor de ángulo de contacto

Calentamiento de arranque: encienda la fuente de luz, el sistema de cámara y la computadora, y precaliente durante 10 a 30 minutos para garantizar la estabilidad.

Preparación de la muestra:

Asegúrese de que la superficie de la muestra esté limpia, plana y libre de contaminación.

Se puede limpiar con un disolvente (como etanol, cetona) y secar.

Si se necesita una prueba de alta temperatura, instale la muestra en el mostrador de control de temperatura.

Instrumentos de calibración:

Ajustar el nivel de la Mesa de muestra (utilizando un medidor de nivel o una herramienta de calibración incorporada en el software).

Imagen enfocada para garantizar que el borde de la gota esté claro.

Gotas:

Use una microjeringa para gotear con un volumen establecido de gotas (se recomienda de 1 a 5 μl).

Evite que la aguja toque la superficie de la muestra.

Adquisición de imágenes:

Espere a que las gotas se estabilicen (generalmente de 5 a 30 segundos) y tome una imagen clara.

Se pueden tomar varios cuadros continuamente para mejorar la precisión.

Cálculo del ángulo:

El software identifica automáticamente el contorno de la gota y selecciona el modelo de ajuste (como círculo, elipsoide, Young - laplace).

Lea los valores de los tentáculos izquierdo y derecho y tome el promedio o registre por separado.

Prueba dinámica (opcional):

Incline la Mesa de muestra o cambie el volumen de la gota y repita los pasos anteriores para medir el ángulo de avance / retroceso.

Conservación y análisis de datos:

Exportar datos como imágenes, valores de ángulo, curvas de ajuste, etc.

Realizar análisis estadísticos o cálculos de energía superficial.

Apagado y limpieza: cierre el equipo, limpie la Mesa de muestras y la aguja de inyección, registre el registro de uso.

VII. procesamiento y análisis de datos

Modelo de cálculo del ángulo de contacto:

Ajuste circular: adecuado para ángulos de contacto pequeños (theta < 30 °) y gotas cercanas a la esfera.

Ajuste elíptico: adecuado para ángulos de contacto medios (30 ° < Theta < 120 °), teniendo en cuenta la influencia de la gravedad.

Ajuste Young - laplace: preciso, adecuado para grandes gotas, grandes ángulos de contacto o formas complejas, teniendo en cuenta el equilibrio entre tensión superficial y gravedad.

Estimación de la energía superficial:

Utilizando Owens - wendt, van oss, zisman y otros métodos, la Energía superficial sólida y sus componentes polares / de dispersión se retroceden a través de una variedad de datos de ángulo de contacto líquido.

Análisis del retraso del ángulo de contacto:

Retraso = ángulo de avance - ángulo de retroceso, que refleja la influencia de la rugosidad de la superficie, la desigualdad química o la capa de adsorción.

8. precauciones y áreas de aplicación

Precauciones:

La superficie de la muestra debe estar limpia y seca para evitar errores causados es es por la contaminación.

El volumen de la gota debe ser moderado, demasiado grande se ve afectado significativamente por la gravedad, y demasiado pequeño, el borde es inexistente.

Las vibraciones ambientales, el flujo de aire y las fluctuaciones de temperatura afectarán la precisión de la medición y deben operar en un entorno estable.

Tomar el promedio de muchas mediciones para mejorar la repetibilidad.

Los resultados de los diferentes métodos de ajuste pueden ser muy diferentes, por lo que es necesario seleccionar el modelo adecuado de acuerdo con la forma y la teoría de las gotas.

Áreas de aplicación:

Evaluación de la modificación de la superficie del material (por ejemplo, tratamiento por plasma, recubrimiento, nanoestructura)

Investigación y desarrollo de materiales superhidrofóbicos / superhidrofílicos (como superficies autolimpias, vidrio antiniebla)

Análisis de compatibilidad de biomateriales (como adherencia celular, adsorción de proteínas)

Separación de aceite y agua, diseño de dispositivos microfluídicos

Optimización de los procesos de impresión, recubrimiento y Unión

Detección de la calidad de la limpieza de obleas semiconductoras

Estudio sobre la extensión de cosméticos y preparaciones farmacéuticas

resumen

El medidor de ángulo de contacto es una herramienta de análisis de superficie de alta precisión y no destructiva, cuyo núcleo es capturar la forma de las gotas por medios ópticos y combinar modelos matemáticos para calcular el ángulo de contacto. Dominar su principio de funcionamiento, métodos de uso correctos y habilidades de análisis de datos es muy importante para la evaluación y optimización de las propiedades superficiales de los materiales. Con el progreso tecnológico, El medidor moderno de ángulo de Contacto ha integrado funciones de automatización, alta temperatura y alta presión, control ambiental y otras funciones, y se ha convertido en un equipo en la investigación científica y la inspección de calidad industrial.