水滴接触角测量仪

一、  前言

润湿过程及分类

润湿过程是自然界最常见的物理化学现象之一。人类生活离不开水，有水就有润湿问题，动植物的生存也离不润湿。在纺织行业中，润湿尤为重要，只有在润湿的前提下才能漂泊、漂洗、染色印花等。那么什么是润湿呢？如把水倒在固体表面上，大体会出现以下几种情况：水在固体表面上铺展开；或呈现单面透镜形状；或者呈球形。这些全是润湿现象。从表面化学角度分析，润湿是固面上的一种流体（气体或液体）被另一种液体所取代的过程，通常所遇到的后一种液体是水和水溶液。由此可见，在润湿过程中，必然涉及三相---气相、液相、和固相。

润湿过程分为三类，既在日常生活中经常遇到的沾湿、浸湿、和铺展。

 ㈠、沾湿（adhesion wetting）

当将一滴水滴到固面上时，液体与固体接触过程中，固—液界面逐渐取代液—气界面和气固界面（图6—1），这一过程称为沾湿。在恒温恒压条件下沾湿过程中的自由能变式（1—1）

式中γ为界面张力；—W a为黏附功，其值相当于把单位面积的液—固界面分开成为气—液和气—固液面的最大功(图6—2)。显然只有当Wa＞0时，即ΔGT.p＜0时，沾湿过程才1—1 固—液界面取代液—气界面和气—固界面的过程

 是自发的。将单位截面液柱分开如（图1—3）创造两个新的气—液界面的内聚功—Wc的定义：

             Δγ＝2γg1＝—Wc    （1—2）

1—2 液—固分离与黏附功                     图 1—3 液体分离与内聚功   

黏附功和内聚功的数值分别是固—液分子间作用力和相同液体分子间作用力大小的标志。

㈡、浸湿（immersion wetting）

图1—4示出固体浸入液体的润湿过程，即浸湿。在恒温恒湿条件下，浸湿过程中自由能变化：

ΔGT,p＝γgs—γls＝－Wi        （1—3）

—Wi称为浸湿功，当然只有当Wi＝γ1s—γgs＞0，则△GT,p＜0时，过程才是自发的。

㈢、铺展（spreading）

液体在固面上的铺展系数S定义及铺展条件为（图1—5）

                     S=γgs—γls=—W         (1—4)

铺展条件也可表示为：S= —Wa—（—Wc）≥0

                                                 （1—5）

                          —Wa≥—Wc

式（1—5）清楚的说明，只有固液间黏附功大于或等于液体内聚功时铺展才有可能。从分子间力考虑，只有当液固分子间力大于或等于液体分子间力时，液体才能在固面上铺展。

 ㈣、接触角与杨氏（Yoyng）方程

当液滴处于质地均匀、绝对平滑的理想固面上达到平衡时，于气、液、固三相交接处有三种表面张力作用（见图 1—5）。这三种表面张力有如下关系，方能达到平衡（即θ角固定不变）：

                      γls+γgl cosθ=gsγ         (1—6)

这个方程称为润湿方程，是1805年由托马斯.杨（Thomas Young）给出，故又称杨氏（Young）方程。式中成为润湿角或接触角(contact angle)。

其定义是在气、液、固三相交界处，气—液界面

切线与液—固界面切线的夹角。图1—6所示的移

液管中弯液面处的接触角对于理解其定义不无神益。

Cosθ值或θ值的大小可以用来判断液体是否可润湿固体，若cos＞0或cos＜90°，即γgs＞γls为润湿；若cosθ＜0或θ＞90°，即γgs＜γls为不润湿；θ=180°为完全不润湿；当θ=0°为完全润湿或铺展。

 图 1—6   毛细管凹弯 液面和

                                                                      凸弯液面上的接触角

                                                                        二、 接触角的测定

测定接触角有多种方法，可根据直接测定物理量分为四类：⑴ 静滴法（角度测量法）、⑵ 高度、长度测量法⑶ 力测法⑷ 透过测量法。前三种适用于连续的平滑固体表面，后一种方法可用于粉末固体表面接触角的测定。本仪器具有以下测试功能：               ㈠、角度测量法

这是应用最广泛的、也是接触角测定最常用的方法。如图2—1所示，接触角可以通过拍照后在照片上测量，也可以在一低倍测角显微镜上在测量（几十倍）的目镜上装上一个量角器直接测量，如果液体蒸气在固体表面发生吸附，影响固体的表面自由能，则应把样品放入带有观察箱中，待体系达到平衡后再进行测定。此法的优点是：样品用量少，仪器简单，测量方便。准确度一般在±1°左右。其原则是观测与固体平面相接触的液滴、液面或液体气泡的外形，再用量角器直接量出三相交界处流动界面与固体界面的夹角。具体的做法有多种；主要有摄影法、显微量角法、倾斜板法。前两种方法分别是把三相交界处的液面形状投影放大在屏幕上或投影后放大出照片，再在所得影像的三相交界处做液面的切线，测量它与固体表面的夹角。显微量角法则是用低倍显微镜观察液面。借助安装在显微镜筒内的叉丝和量角器直接测量接触角。                                               斜板法测定接触角

作切线的方法虽然直接而且方便，但切线往往难以作得准确。一般误差较大。斜板法对此有所改进。倾斜板法是调节固体表面的倾斜角，使在固—液—气三相相遇处得到一液体水平面，固体表面相对于液体水平面的倾斜角即为液体在固体表面上的接触角。改变板的角度，即可得到前进角和后退角。其原理是固体板插入液体时，只有板面与液面的夹角恰为接触角时液面才一直平伸至三相交界处，不出现弯曲现象。如图2—2（b）左侧所示。否则，液面将出现如图2—2（a）（c）所示弯曲现象。因此，改变板的插入角度直至液面在三相交界处无弯曲，这时板面与液面的夹角即为接触角。斜板法避免了作切线的困难，提高了测量角度。但突出的缺点是液体使用较多，这在许多情况下妨碍了它的应用。

㈡、高度测量法

为了避免作切线的困难，发展了高度测量数据计算出接触角。具体做法也有多种。对于小滴法，测量在固体平面上的小液滴如（图 2—3）所示由液滴高度h及其与固面相交园的直径d和液滴的曲率半径R通过数学计算求出θ值：

                               h=R—Rcosθ

                               d=2Rcosθ

                               d/h=R(1—cosθ)/2Rcosθ=1/2tanθ/2

                               θ=2arctan(2h/d)              （2—1）

此法的前提是液滴为球形的一剖分。因此只有在液滴很小、重力的影响可以忽略不计时才能应用。液滴在纤维上的接触角也可以用此方法测量，用夹子把纤维水平拉直，置于显微镜视野内。然后在其上放置一液滴（其直径略大于纤维直径），直接测定液滴与纤维表面的夹角。

 小滴法 图 2—4  （a）         （b）

实际固体表面都是非理想的，或大或小总是会出现接触角滞后现象。因此需同时测定前进角（θa）和后退角（θr）。对于静滴法，可用增减液滴体积的办法来测定，增加液滴体积时测出的是前进角如图2—4（a）所示，减少液滴体积时为后退角如图2—4（b）所示。为了避免增减液滴体积时可能引起液滴振动和变形，在测定时可将改变液滴体积毛细管尖端擦人液滴中，尖端插入液滴不影响接触角的数值。也可以通过转落法测定前进角和后退角，在仪器操作测定方法中具体介绍。

 三、技术指标

㈠ 主机

1．连续变倍镜头：      0.7x—4.5x, 线方像视场φ18mm

2. 测量角度：          ① 角度法：±1°② 高度法：±0.5°

3. 物方像视场：        φ25.7—φ4.0mm

4. 工作台移动范围：     

上下移动：    ≥60mm    

左右移动：    ≥70mm

前后移动：    ≥30mm

5．液滴器移动范围：    

         上下移动：    ≥1000mm

左右移动：    ≥1000mm

6．索尼CCD镜头：     PAL：512（H）×582（V）像素 420线

7. 灯源亮度连续可调

8. 电源：               ～220V 50HZ 3A

9. 仪器外形尺寸：       580（长）×240（宽）×620（高）

10．温度范围：          A型：常温，B型： 常温—180℃

11. 仪器净重：          20Kg

㈡ 计算机配置

Windos xp 操作系统，奔腾4以上CPU, 256AM内存

四、应用范围

石油、化工、医药、造纸、涂料、农药、材料粘结剂、陶瓷、洗涤剂、高分子颜料、电线电缆、纺织、染料、建筑材料防水、浮法选矿、焊接、医疗卫生等众多领域。

五、应用领域

1．在润滑油的特性标定中，检验各中重油、润滑油的黏附及润湿关系。

2. 在印刷行业中，检验印刷油墨、金属、纸张之间的付着、黏结润湿关系。

3. 在建筑防水工作中，检验经硅酸树脂处理的纺织物的防水性能。

4. 在浮选工作中，检验用沸腾法选择矿物微粒在油水混合物中沾化吸附能力。

5. 在搪瓷工业中，检验溶化的硅化物对金属表面的粘化附着力。

6. 在活性试剂表面特性测定中，检查液体试剂的渗透、生锈特性。

7. 检验金属表面的脱脂，清洁，老化，亲水等情况及薄膜表面上的吸附特性。

8. 在军事科学研究中，检验发射出的弹皮与空气中雨雾的附着、润湿特性。

六、仪器结构图

七、仪器操作步骤

1． 打开包装按装箱单内容检查随机携带的全部零部件。

2． 准备好安放仪器的工作台：要求坚固、平稳、无振动。

3． 将仪器的主机、CCD摄像机、变倍光筒、工作台按主机图片安装好。

4． 把水平泡放在工作台中心位置，调整仪器底角的4个旋钮，观察水准泡使水泡在中心位置，仪器在水平状态。

5． 将仪器电源插头、CCD电源插头、计算机电源插头分别插在多孔电源插座上。

6． 打开主机电源。

7． 打开计算机电源。

8． 在计算机桌面上双击SPAC.exe图标。见下图

9．出现接触角测量软件界面见下图

                                图 （7—3）

10. 点击界面中大窗口视频选项再点击开启视频选项，调节主机冷光灯调节旋钮，在软件空白界面中将看到冷光灯亮度的高低变化，调节光源旋钮到亮度适中的位置。见图（7—3）。

11．  单击查看选项，在下拉菜单是否显示水平线中选显示选项，见下图（7—

12．软件界面视频监控窗口将有一条红色十字线见图（7—5），此十字线是为了在高度法测量时，把液滴调节到十字线的中心，使液滴底边与水平线平齐、与垂直线对称。 

13.     将注射器固定支架右侧螺丝松开，取下注射器，将注射器中吸入被测液体，插上针管管口向下，右旋测微螺杆，放出注射器中的气体，直到出现连续液滴为止。将注射器装回固定支架上并将固定注射器螺丝拧紧。单击停止视频再单击大窗口视频再单击开启视频。调整固定液滴调整器X—Y坐标位移调整机构，使毛细管针头进入计算机视频监控窗口上三分之一中间位置。如图（7—6）。

14.     向右旋转测微旋钮使液滴呈圆形悬在毛细管针头口上如图（7—7），然后调整工作

 台上下、左右、前后及摄像机调焦手轮使图像达到最清晰。调整工作台上下移动机构，使工作台面上升使试样台面去接液滴如图（7—8）所示。

然后调整工作台向下旋钮机构，使液滴在视频监视窗口中间位置见图（7—9）

用视窗中的红色十字线作基准转动CCD和摄像物镜使工作台沿线轮廓线与水平线重合。

准备好固体试样，将固体表面按要求处理干净。

八、接触角测定

上述工作完成后便可进行接触角的测定了。本仪器具有三种测试方法。第三种方法需根据用户要求另配测试装备。

方法一：静滴法

A: 静滴法之直接量角测定：先将液滴从液滴器中注出，调到视场中，上升工作台接液滴。然后离开。见图（7—8）停止到图（7—9），点击停止视频选项再点击接触角测量(A)项出现的下拉菜单，点击下拉菜单的测量三点形成的角度（T）见图(7—10)在液滴图像上用鼠标左键在

    击一次，然后移动鼠标在图像的另一角点击一次，沿切线方向移动鼠标作图像的切线点击

鼠标左键确定。接触角数值将自动显示在被测图像上见图（7—11B: 静滴法之高度测量法

根据公式tan(θ/2)＝2h/d  在接触角测定栏（见下图7—12）方法二框点击h：相白色圆点，圆点中心出现一个小黑点；然后用鼠标在液滴的顶点点击一次，在沿与液滴底边垂直方向移动拖至到低边上确定。用同样方法测量液滴底边d：然后点击方法二栏中计算图标，接触角值自动显示在angle空白栏中。

 方法二：转落发

此方法根据用户要求另配。如果要测量前进角和后退角，可用转落法。液滴滴到固体上

后调到视场中心。调整工作台角度旋钮机构，液滴将像要求的方向倾斜。在液滴刚要留动时停止旋转机构，抓拍此时图像，用三点法将前进角和后退角测出。见图（7—

九、抓拍、定时拍照

不管用户用哪种方法测定接触角，窗口中的图像都可以根据用户的要求对图像进行拍处理，再打开存储的图像进行测量。这样可以分析液体与固体润湿的全过程。在任何情况下点击如下图（7—14）随机抓拍，则将照片存在C盘SPCA.xex/SnaPTmn文件夹里，可以随时打开、复制、打印等。

定时拍照时，点击停止视频再点击设备参数设置在下拉菜单中点击定时拍照时间设定。

在此窗口内填入拍照时间间隔。将液体滴在固体试样上，点击定时拍照仪器将自动把液体铺展过程根据设定时间拍照存储。用户可以看到拍摄的9幅时时图像，图像的保存时根据日期、时间方式存储的。用户也可以用另存为方式选择存储格式。定时拍照存储在C/SPCA.xex/TimeSnap文件夹里。每当点击停止视频时将自动抓拍一张照片并自动保存在——C/SPCA.xex/图片采集文件夹里。

十、尺寸标定

把标定板尺附在电脑显示屏视频监视窗口内，点击接触角测量(A)选项的下拉菜单尺寸标定，点击水平方向标定(H)然后用鼠标左键点击标定板尺上100mm线段，然后输入一个整数,比如输入20，那么垂直方向标定与水平方向标定一样，点击同样长度线段，然后也要输入20.标定完成。

十一、仪器保养

     仪器使用完毕后用净棉布擦净，表面涂上防锈油，关掉所有电源。