Medidor de tensión angular / superficial de contacto: análisis completo desde el principio hasta la aplicación

El ángulo de contacto y la tensión superficial son los parámetros centrales de la ciencia de la superficie de los materiales, el primero refleja la humectabilidad del líquido a los sólidos, y el segundo caracteriza la cohesión entre las moléculas de la superficie líquida. El tensiómetro de ángulo de contacto / superficie transforma la morfología de las gotas microscópicas en datos cuantitativos a través de imágenes ópticas y técnicas de modelado matemático.

I. principios de prueba: cuantificación precisa basada en la mecánica de interfaz

La ecuación de Young y el juicio de humectabilidad

Cuando las gotas entran en contacto con la superficie sólida, la tensión de la interfaz sólido - líquido - Gas alcanza el equilibrio, formando un ángulo de contacto theta. la ecuación Young (gamma SV = gamma SL + gamma LV cos theta) revela la relación entre el ángulo de contacto y la energía libre de la superficie: Theta < 90 ° es una superficie hidrofílica (como el agua se extiende sobre el vidrio) y Theta > 90 ° es una superficie de drenaje de agua (como el agua se contrae sobre el loto). Esta ecuación es la base teórica de la medición del ángulo de contacto.

ángulo de contacto dinámico y fenómeno de retraso

Al controlar el proceso de extensión y retracción de las gotas, se pueden medir el ángulo de contacto hacia adelante (zona no humectada del líquido) y el ángulo de contacto hacia atrás (zona humectada del líquido). Cuanto mayor sea el retraso del ángulo de contacto (△ Theta = Theta adv - Theta rec), más significativa será la rugosidad de la superficie o la desigualdad química. Por ejemplo, el ángulo de retraso de una superficie superhidrofóbica (theta > 150 °) suele ser inferior a 5 °, mientras que el ángulo de retraso de una superficie metálica áspera puede alcanzar más de 30 °.

Método de medición de la tensión superficial

Método de suspensión de gotas: calcular la tensión superficial analizando los parámetros geométricos del contorno de las gotas (como la relación de diámetro D / d), combinada con la ecuación Young - laplace. Este método es adecuado para metales fundidos a alta temperatura o líquidos corrosivos.

Método de placa de platino: sumergir la placa de platino tratada con chorro de arena en líquido, cuando la tensión superficial está equilibrada con la fuerza inversa del instrumento, convertir el valor de la tensión superficial a través de la profundidad de inmersión. La prueba del agua destilada se puede completar en 5 segundos, con una precisión de ± 0,1 mnn / m.

II. proceso de prueba: proceso estandarizado desde la preparación de muestras hasta el análisis de datos

Preparación y pretratamiento de muestras

Muestra de bloque / película: el tamaño debe ser superior a 2 cm × 2 cm, y el error de planitud de la superficie debe ser ≤ 5 micras. Para superficies dobladas (como la fibra óptica), se requiere la tecnología de prueba de ángulo de contacto 3D.

Muestra de polvo: se presiona en una hoja con una prensa infrarroja, con un espesor ≥ 1 mm. si la muestra se adhiere al molde, se puede agregar papel de pesaje a la superficie.

Muestra líquida: la prueba de tensión superficial requiere ≥ 1 ML y el requisito de pureza es ≥ 99,9% (por ejemplo, agua destilada secundaria).

Algoritmo de adquisición y ajuste de datos

ángulo de contacto estático: utilizando el método de ajuste Young - Laplace (precisión ± 0,5 °) o el método de corte (adecuado para Theta < 120 °). Para las gotas asimétricas (como la diferencia de tentáculos izquierda / derecha > 10 °), es necesario utilizar el algoritmo adsa - realdrop.

ángulo de contacto dinámico: medir el ángulo de rodadura a través de una mesa inclinada (0 - 90 °) o controlar la tasa de variación del volumen de la gota (0,1 - 10 μl / s) para capturar el ángulo de avance / retroceso.

Cálculo de la energía libre de la superficie: basado en el modelo Owens - wendt (para superficies polares / no polares) o el modelo fowkes (para superficies de baja energía), es necesario medir el ángulo de contacto de al menos tres líquidos con tensión superficial conocida (como agua, * * * *, etilenglicol).