قياس زاوية التلامس
يُعد قياس زاوية التلامس من أكثر التقنيات استخدامًا في علم الأسطح لتحديد مدى ترطيب (انتشار) سائل على سطح صلب. فهو يوفر معلومات مباشرة حول قابلية التبلل، وطاقة السطح، وكراهية/محبة الماء، والنظافة، وتأثيرات الخشونة، وخصائص الالتصاق. وهذا ما يجعله أداة لا غنى عنها في مجالات مثل علم المواد، والطلاءات، والمستحضرات الصيدلانية، والموائع الدقيقة، والمنسوجات، والطب الحيوي، وتصنيع أشباه الموصلات.
زاوية التلامس هي الزاوية المتكونة عند الحد الفاصل بين الأطوار الثلاثة حيث يلتقي سائل، ومادة صلبة، وغاز (عادةً هواء). تُقاس هذه الزاوية داخل قطرة السائل، بين المماس لسطح التماس بين السائل والبخار عند نقطة التلامس مع السطح الصلب.
إذا كانت هذه الزاوية،
- إذا كانت الزاوية أقل من 90 درجة، فإن السطح يكون محبًا للماء (ترطيب جيد، ينتشر السائل بسهولة).
- عند درجة حرارة صفر، يحدث ترطيب كامل (انتشار مثالي).
- إذا كانت الزاوية أكبر من 90 درجة، فإن السطح يكون كارهًا للماء (ترطيب ضعيف، ويبقى السائل في قطرات).
- إذا اقتربت من 180 درجة، فإنها تصبح فائقة الكراهية للماء (على سبيل المثال، تأثير ورقة اللوتس).
تُعطى العلاقة الأساسية بمعادلة يونغ، التي تفترض سطحًا مثاليًا أملسًا ومتجانسًا. غالبًا ما تُظهر الأسطح الحقيقية انحرافات بسبب الخشونة أو عدم التجانس الكيميائي أو الامتصاص.
تكشف زاوية التلامس عن خصائص السطح الحاسمة:
- قابلية التبلل: تؤثر على الطلاء والطباعة والتنظيف والالتصاق.
- نظافة السطح: تزيد الملوثات من زاوية التلامس.
- خاصية كراهية الماء/خاصية محبة الماء: مهمة للأسطح المضادة للضباب، أو ذاتية التنظيف، أو المتوافقة حيوياً.
- الطاقة السطحية الحرة: تم حسابها باستخدام سوائل متعددة من خلال طرق مختلفة.
- تأثيرات الخشونة: "الخشونة تزيد من التبلل" أو "جيوب الهواء تخلق خاصية النفور الشديد من الماء".
الطرق الرئيسية لقياس زاوية التلامس هي كما يلي:
- طريقة القطرة (زاوية التلامس الساكنة): هذه الطريقة هي الأكثر شيوعًا وبساطة. تُوضع قطرة صغيرة (عادةً من 1 إلى 5 ميكرولتر من الماء) برفق على سطح صلب. تلتقط كاميرا عالية الدقة شكل القطرة، ويقوم برنامج حاسوبي بتكييف الشكل لتحديد زاوية التلامس. يتم ذلك باستخدام مقياس توتر بصري (مقياس الزوايا أو محلل شكل القطرة). هذه الطريقة بسيطة وسريعة ومتوفرة على نطاق واسع. مع ذلك، فهي حساسة لعدم تجانس السطح وتقيس نقطة واحدة فقط.
- قياسات زاوية التلامس الديناميكية:
- زوايا التقدم والتراجع (طريقة الإبرة): يُضاف السائل ببطء إلى القطرة أو يُسحب منها عند قياس زاوية التلامس. عادةً ما تكون زاوية التلامس المتقدمة (عندما يتسع خط التلامس) أعلى من زاوية التلامس المتراجعة (عندما يضيق). يشير التخلف (الفرق) إلى خشونة السطح أو عدم تجانسه.
- طريقة الصفيحة المائلة: يتم إمالة السطح تدريجياً حتى تبدأ القطرة في الانزلاق، ويتم قياس الزوايا على الجانبين السفلي (المتقدم) والعلوي (المتراجع).
- طريقة صفيحة ويلهلمي: تُغمر صفيحة صلبة أو ليف في سائل (أو تُخرج منه)، وتُقاس القوة باستخدام ميزان دقيق. تُحسب زاوية التلامس من قوة التبلل. تُعد هذه الطريقة مثالية للألياف والمساحيق والعينات غير المنتظمة التي يصعب فيها التقطير.
- تقنيات متخصصة أخرى:
- طريقة الفقاعة المغلقة: تستخدم للأسطح المحبة للماء بشدة (فقاعات الهواء في السائل بدلاً من القطرات).
- الاختراق الشعري / طريقة واشبورن: للمساحيق أو المواد المسامية.
- طرق القطرات المجهرية/البيكولترية: للأنماط الصغيرة أو الأسطح الدقيقة.
يُستخدم الماء منزوع الأيونات كسائل قياس في معظم القياسات. يُعدّ تحضير السطح أمرًا بالغ الأهمية في القياسات، حيث تُستخدم عينات نظيفة ومستوية وممثلة. يجب قياس قطرات متعددة في مواقع مختلفة لأغراض إحصائية. تؤثر العوامل البيئية (درجة الحرارة، الرطوبة، الاهتزاز) على النتائج. توفر الأجهزة المتطورة أنظمة توزيع آلية، ومنصات مائلة، وتصحيحًا لخشونة السطح.
لا يزال قياس زاوية التلامس أداة بسيطة ولكنها قوية تجمع بين الديناميكا الحرارية السطحية الأساسية والتطبيقات العملية، بدءًا من تصميم الأقمشة المقاومة للماء وتحسين التصاق الطلاء وصولاً إلى تطوير الأسطح المضادة للتجمد.
توجد عدة معايير دولية لقياس زاوية التلامس، طورتها المنظمة الدولية للمعايير (ISO) والجمعية الأمريكية لاختبار المواد (ASTM). تحدد هذه المعايير الإجراءات، ومتطلبات المعدات، وسوائل الاختبار، وأحجام القطرات، وظروف القياس، وتقييم البيانات، وإعداد التقارير لضمان التكرارية والمقارنة.
لا يغطي معيار عالمي واحد جميع التطبيقات؛ بدلاً من ذلك، يتم تصميم المعايير خصيصًا لمواد أو صناعات أو أغراض محددة (مثل الدهانات أو البوليمرات أو الورق أو الأغشية المعالجة بالكورونا أو تحديد قابلية التبلل العامة / طاقة السطح الحرة).
فيما يلي أهم معايير المنظمة الدولية للتوحيد القياسي (ISO):
- تُعد سلسلة المعايير "ISO 19403 الدهانات والورنيشات - قابلية التبلل" السلسلة الحديثة الأكثر شمولاً لقياس زاوية التلامس البصرية العامة وحساب طاقة السطح الحرة:
- ISO 19403-1 الدهانات والورنيشات - قابلية التبلل - الجزء 1: المصطلحات والمبادئ العامة
- ISO 19403-2 الدهانات والورنيشات - قابلية التبلل - الجزء 2: تحديد الطاقة السطحية الحرة للأسطح الصلبة عن طريق قياس زاوية التلامس
- يتناول معيار ISO 19403-3-7 الجوانب ذات الصلة مثل تحديد المكونات القطبية/التوزيعية للتوتر السطحي والتحقق من إعدادات القياس باستخدام المواد المرجعية.
- ISO/TS 14778 الورق والكرتون - قياس زاوية التلامس مع الماء بالطرق البصرية.
- المعيار الدولي ISO 15989: البلاستيك - الأغشية والصفائح - قياس زاوية تلامس الماء للأغشية المعالجة بالبلازما. هذا المعيار مكافئ للمعيار ASTM D5946 في العديد من الجوانب.
- ISO 27448 السيراميك الدقيق (السيراميك المتقدم، السيراميك التقني المتقدم) - طريقة اختبار أداء التنظيف الذاتي لمواد التحفيز الضوئي لأشباه الموصلات - قياس زاوية التلامس مع الماء.
- ASTM D7334 الممارسة القياسية لتحديد قابلية ترطيب الأسطح للطلاءات والأسطح والأصباغ عن طريق قياس زاوية التلامس المتقدمة.
- طريقة الاختبار القياسية ASTM D5946 باستخدام قياسات زاوية التلامس مع الماء للأغشية البوليمرية المعالجة بالكورونا.
- ASTM D7490 طريقة الاختبار القياسية لقياس التوتر السطحي للطلاءات الصلبة والأسطح والأصباغ باستخدام قياسات زاوية التلامس.
- ASTM D8597 طريقة الاختبار القياسية لاختبار قابلية ترطيب الأسطح للطلاءات والأسطح والأصباغ عن طريق قياس زاوية التلامس باستخدام مقاييس الزوايا المحمولة.
تؤكد هذه المعايير على ما يلي:
- أمثلة واضحة ومباشرة وتمثيلية.
- بيئة مضبوطة (درجة الحرارة، الرطوبة، خالية من الاهتزازات).
- الموثوقية الإحصائية (قطرات متعددة/موضع، انحراف معياري منخفض، عادةً ما لا يقل عن 3-5 درجات).
- تتضمن التقنية الأساسية الأساليب البصرية (قطرة ثابتة، تحليل الصور).
اليوم، بالنسبة لمعظم الدراسات العامة أو القائمة على البحث حول زاوية التلامس، وخاصة في تحديد الطاقة الحرة للسطح، فإن معيار ISO 19403-2 هو المعيار المرجعي الدولي.
على مدى سنوات عديدة، دأبت مؤسستنا، بفريقها الكفؤ والمتمرس، على فهم احتياجات عملائها، وتوفير خدمات الاختبار المتقدمة التي يحتاجونها، والمساعدة في إنشاء وتطبيق وتحسين أنظمة الإدارة. وفي هذا الإطار، نقدم أيضاً خدمات قياس زاوية التلامس للشركات.
