Измерване на ъгъла на контакт

Измерването на ъгъла на контакт е една от най-широко използваните техники в повърхностната наука, която характеризира колко добре една течност се омокря (разстила) върху твърда повърхност. То предоставя директна информация за омокряемостта, повърхностната енергия, хидрофобността/хидрофилността, чистотата, ефектите на грапавост и адхезионните свойства. Това го прави незаменимо в области като материалознание, покрития, фармацевтика, микрофлуидика, текстил, биомедицина и производство на полупроводници.

Контактният ъгъл е ъгълът, образуван на трифазната граница, където се срещат течност, твърдо вещество и газ (обикновено въздух). Той се измерва в течната капка, между допирателната към границата течност-пара в точката на контакт с твърдата повърхност.

Ако този ъгъл,

Ако ъгълът е по-малък от 90 градуса, повърхността е хидрофилна (добро омокряне, течността се разнася лесно).
При 0 градуса, пълно омокряне (перфектно разстилане).
Ако ъгълът е по-голям от 90 градуса, повърхността е хидрофобна (слабо омокряне, течността остава на капчици).
Ако се приближи до 180 градуса, то е суперхидрофобно (например, ефект на лотосов лист).

Фундаменталната зависимост е дадена от уравнението на Юнг, което приема идеална, гладка и хомогенна повърхност. Реалните повърхности често показват отклонения поради грапавост, химическа хетерогенност или абсорбция.

Контактният ъгъл разкрива критични свойства на повърхността:

Омокряемост: Влияе върху покритието, печатането, почистването и адхезията.
Чистота на повърхността: Замърсителите увеличават ъгъла на контакт.
Хидрофобност/хидрофилност: Важно за повърхности, устойчиви на замъгляване, самопочистващи се или биосъвместими.
Свободна повърхностна енергия: Изчислена с помощта на множество флуиди от сондата чрез различни методи.
Ефекти от грапавостта: режими „Грававостта увеличава омокрянето“ или „въздушните джобове създават суперхидрофобност“.

Основните методи за измерване на ъгъла на контакт са следните:

Метод на капка (статичен ъгъл на контакт): Това е най-разпространената и най-проста техника. Малка капка (обикновено 1-5 μL вода) се поставя внимателно върху твърда повърхност. Камера с висока резолюция заснема профила на капката и софтуерът се адаптира към формата, за да определи ъгъла на контакт. Това се извършва с оптичен тензиометър (гониометър или анализатор на формата на капка). Този метод е прост, бърз и широко достъпен. Той обаче е чувствителен към хетерогенност на повърхността и измерва само една точка.
Измервания на динамичен ъгъл на контакт:
Ъгли на придвижване и отдръпване (иглен метод): Течността се добавя бавно към или изтегля от капката при измерване на ъгъла на контакт. Ъгълът на придвижване (когато контактната линия се разширява) обикновено е по-висок от ъгъла на отдръпване (когато тя се стеснява). Хистерезисът (разликата) показва грапавост или хетерогенност на повърхността.
Метод с наклонена плоча: Повърхността постепенно се накланя, докато капката започне да се плъзга, и се измерват ъглите от страната надолу (напредваща) и нагоре (отдръпваща се) страна.
Метод с пластина на Вилхелми: Твърда пластина или влакно се потапя в (или изважда от) течност и силата се измерва с прецизен баланс. Ъгълът на контакт се изчислява от силата на омокряне. Идеален за влакна, прахове или неправилни проби, където капенето е трудно.
Други специализирани техники:
Метод със затворени мехурчета: Използва се за силно хидрофилни повърхности (въздушни мехурчета в течността вместо капчици).
Капилярно проникване / метод на уошбърнване: За прахообразни или порести материали.
Микроскопски/пиколитрови методи с капчици: За малки шарки или микроповърхности.

В повечето измервания като течност за сондата се използва дейонизирана вода. Подготовката на повърхността е от решаващо значение при измерванията: използват се чисти, плоски и представителни проби. За статистически цели трябва да се измерват множество капчици/места. Факторите на околната среда (температура, влажност, вибрации) влияят върху резултатите. Усъвършенстваните инструменти предлагат автоматизирано дозиране, наклонени платформи и корекция на грапавостта.

Измерването на ъгъла на контакт остава прост, но мощен инструмент, който съчетава фундаменталната термодинамика на повърхността с приложения в реалния свят, от проектирането на водоустойчиви тъкани и подобряването на адхезията на боите до разработването на повърхности против заледяване.

За измерване на ъгъла на контакт съществуват няколко международни стандарта, разработени от ISO и ASTM. Тези стандарти определят процедури, изисквания към оборудването, тестови течности, обеми на капките, условия на измерване, оценка на данните и докладване, за да се гарантира повторяемост и сравнимост.

Един единствен универсален стандарт не обхваща всички приложения; вместо това, стандартите са съобразени със специфични материали, индустрии или цели (напр. бои, полимери, хартия, обработени с корона филми или общо определяне на омокряемост/свободна повърхностна енергия).

Основните стандарти на ISO са следните:

Стандартната серия „ISO 19403 Бои и лакове - Омокряемост“ е най-изчерпателната съвременна серия за общо измерване на оптичен ъгъл на контакт и изчисляване на свободната повърхностна енергия:
ISO 19403-1 Бои и лакове - Омокряемост - Част 1: Речник и общи принципи
ISO 19403-2 Бои и лакове - Омокряемост - Част 2: Определяне на свободната повърхностна енергия на твърди повърхности чрез измерване на ъгъла на контакт
ISO 19403-3-7 разглежда свързани аспекти, като например определяне на полярните/разпределителните компоненти на повърхностното напрежение и проверка на измервателните настройки с референтни материали.
ISO/TS 14778 Хартия и картон - Измерване на ъгъла на контакт с вода чрез оптични методи.
ISO 15989 Пластмаси - Фолио и листове - Измерване на ъгъла на контакт с вода на фолиа, обработени с коронарен шок. Този стандарт е еквивалентен на ASTM D5946 в много отношения.
ISO 27448 Фина керамика (усъвършенствана керамика, усъвършенствана техническа керамика) - Метод за изпитване на самопочистваща се характеристика на полупроводникови фотокаталитични материали - Измерване на ъгъла на контакт с вода.
ASTM D7334 Стандартна практика за определяне на омокряемостта на повърхности и пигменти чрез усъвършенствано измерване на ъгъла на контакт.
ASTM D5946 Стандартен метод за изпитване, използващ измервания на ъгъла на контакт с вода за полимерни филми, обработени с корона.
ASTM D7490 Стандартен метод за изпитване за измерване на повърхностното напрежение на твърди покрития, повърхности и пигменти, използвайки измервания на ъгъла на контакт.
ASTM D8597 Стандартен метод за изпитване за изпитване на омокряемостта на повърхности на покрития, повърхности и пигменти чрез измерване на ъгъла на контакт с помощта на преносими гониометри.

Тези стандарти подчертават следното:

Чисти, ясни, представителни примери.
Контролирана среда (температура, влажност, без вибрации).
Статистическа надеждност (множество падания/позиция, ниско стандартно отклонение, обикновено поне 3-5 градуса).
Основната техника включва оптични методи (фиксирана капка, анализ на изображения).

Днес, за повечето изследвания на контактния ъгъл с общо предназначение или научноизследователски цели, особено при определяне на свободната повърхностна енергия, стандартът ISO 19403-2 е международният референтен стандарт.

В продължение на много години нашата организация, със своя компетентен и опитен екип, разбира нуждите на своите клиенти, предоставяйки им необходимите съвременни услуги за тестване и съдействайки за установяването, внедряването и подобряването на системите за управление. В тази рамка, ние също така предоставяме услуги за измерване на ъгъла на контакт на бизнеса.