اندازه‌گیری زاویه تماس
اندازه‌گیری زاویه تماس یکی از پرکاربردترین تکنیک‌ها در علم سطح برای مشخص کردن میزان ترشوندگی (گسترش) یک مایع روی یک سطح جامد است. این روش اطلاعات مستقیمی در مورد ترشوندگی، انرژی سطح، آبگریزی/آبدوستی، تمیزی، اثرات زبری و خواص چسبندگی ارائه می‌دهد. این امر آن را در زمینه‌هایی مانند علم مواد، پوشش‌ها، داروسازی، میکروفلوئیدیک، نساجی، زیست‌پزشکی و تولید نیمه‌هادی ضروری می‌کند.
زاویه تماس، زاویه‌ای است که در مرز سه فازی، جایی که یک مایع، یک جامد و یک گاز (معمولاً هوا) به هم می‌رسند، تشکیل می‌شود. این زاویه در داخل قطره مایع، بین مماس بر سطح مشترک مایع-بخار در نقطه تماس با سطح جامد اندازه‌گیری می‌شود.
اگر این زاویه،
- اگر زاویه کمتر از ۹۰ درجه باشد، سطح آبدوست است (خیس شدن خوب، مایع به راحتی پخش می‌شود).
- در دمای ۰ درجه، خیس شدن کامل (پخش شدن بی‌نقص).
- اگر زاویه بیشتر از ۹۰ درجه باشد، سطح آبگریز است (خیس شدن ضعیف، مایع به صورت قطرات باقی می‌ماند).
- اگر به ۱۸۰ درجه نزدیک شود، فوق آبگریز است (مثلاً اثر برگ نیلوفر آبی).
رابطه اساسی توسط معادله یانگ ارائه شده است که یک سطح ایده‌آل، صاف و همگن را فرض می‌کند. سطوح واقعی اغلب به دلیل زبری، ناهمگنی شیمیایی یا جذب، انحرافاتی را نشان می‌دهند.
زاویه تماس، خواص بحرانی سطح را آشکار می‌کند:
- قابلیت ترشوندگی: بر پوشش، چاپ، تمیزکاری و چسبندگی تأثیر می‌گذارد.
- تمیزی سطح: آلاینده‌ها زاویه تماس را افزایش می‌دهند.
- آبگریزی/آبدوستی: برای سطوح ضد مه، خود تمیزشونده یا زیست سازگار مهم است.
- انرژی آزاد سطحی: با استفاده از چندین سیال کاوشگر از طریق روش‌های مختلف محاسبه می‌شود.
- اثرات زبری: «زبری باعث افزایش ترشوندگی می‌شود» یا «حفره‌های هوا باعث ایجاد حالت‌های فوق آبگریزی می‌شوند».
روش‌های اصلی اندازه‌گیری زاویه تماس به شرح زیر است:
- روش قطره (زاویه تماس استاتیک): این رایج‌ترین و ساده‌ترین تکنیک است. یک قطره کوچک (معمولاً ۱ تا ۵ میکرولیتر آب) به آرامی روی یک سطح جامد قرار داده می‌شود. یک دوربین با وضوح بالا، پروفیل قطره را ثبت می‌کند و نرم‌افزار با شکل آن سازگار می‌شود تا زاویه تماس را تعیین کند. این کار با یک تانسیومتر نوری (گونیومتر یا آنالیزور شکل قطره) انجام می‌شود. این روش ساده، سریع و به طور گسترده در دسترس است. با این حال، به ناهمگنی سطح حساس است و فقط یک نقطه را اندازه‌گیری می‌کند.
- اندازه‌گیری زاویه تماس دینامیکی:
- زوایای پیشروی و پسروی (روش سوزنی): مایع به آرامی به قطره اضافه یا از آن خارج می‌شود و در عین حال زاویه تماس اندازه‌گیری می‌شود. زاویه تماس پیشروی (زمانی که خط تماس پهن‌تر می‌شود) عموماً بیشتر از زاویه تماس پسروی (زمانی که باریک‌تر می‌شود) است. هیسترزیس (اختلاف) نشان‌دهنده زبری یا ناهمگنی سطح است.
- روش صفحه شیب‌دار: سطح به تدریج شیب داده می‌شود تا قطره شروع به سر خوردن کند و زوایای روی سطوح رو به پایین (پیشرو) و رو به بالا (عقب‌رو) اندازه‌گیری می‌شوند.
- روش صفحه ویلهلمی: یک صفحه یا فیبر جامد در یک مایع غوطه‌ور می‌شود (یا از آن خارج می‌شود) و نیرو با یک ترازوی دقیق اندازه‌گیری می‌شود. زاویه تماس از نیروی خیس شدن محاسبه می‌شود. ایده‌آل برای الیاف، پودرها یا نمونه‌های نامنظم که چکیدن در آنها دشوار است.
- سایر تکنیک‌های تخصصی:
- روش حباب بسته: برای سطوح بسیار آبدوست (حباب‌های هوا در مایع به جای قطرات) استفاده می‌شود.
- نفوذ مویینگی / روش شستشو: برای پودرها یا مواد متخلخل.
- روش‌های قطرات میکروسکوپی/پیکو لیتری: برای الگوهای کوچک یا سطوح میکرو.
در بیشتر اندازه‌گیری‌ها از آب دیونیزه به عنوان سیال پروب استفاده می‌شود. آماده‌سازی سطح در اندازه‌گیری‌ها بسیار مهم است: از نمونه‌های تمیز، صاف و معرف استفاده می‌شود. برای اهداف آماری باید قطرات/مکان‌های متعددی اندازه‌گیری شوند. عوامل محیطی (دما، رطوبت، لرزش) بر نتایج تأثیر می‌گذارند. ابزارهای پیشرفته، توزیع خودکار، مراحل شیب‌دار و اصلاح زبری را ارائه می‌دهند.
اندازه‌گیری زاویه تماس همچنان ابزاری ساده اما قدرتمند است که ترمودینامیک اساسی سطح را با کاربردهای دنیای واقعی، از طراحی پارچه‌های ضد آب و بهبود چسبندگی رنگ گرفته تا توسعه سطوح ضد یخ، ترکیب می‌کند.
برای اندازه‌گیری زاویه تماس، چندین استاندارد بین‌المللی تدوین‌شده توسط ISO و ASTM وجود دارد. این استانداردها، رویه‌ها، الزامات تجهیزات، سیالات مورد آزمایش، حجم قطرات، شرایط اندازه‌گیری، ارزیابی داده‌ها و گزارش‌دهی را برای اطمینان از تکرارپذیری و مقایسه‌پذیری مشخص می‌کنند.
یک استاندارد جهانی واحد، همه کاربردها را پوشش نمی‌دهد؛ در عوض، استانداردها متناسب با مواد، صنایع یا اهداف خاص (مانند رنگ‌ها، پلیمرها، کاغذ، فیلم‌های اصلاح‌شده با کرونا یا تعیین ترشوندگی/انرژی آزاد سطح عمومی) تنظیم می‌شوند.
استانداردهای اصلی ایزو به شرح زیر است:
- سری استاندارد «رنگ‌ها و جلاها - ترشوندگی ISO 19403» جامع‌ترین سری مدرن برای اندازه‌گیری زاویه تماس نوری عمومی و محاسبه انرژی آزاد سطح است:
- ISO 19403-1 رنگ‌ها و جلاها - قابلیت ترشوندگی - بخش 1: واژه‌نامه و اصول کلی
- ISO 19403-2 رنگ‌ها و جلاها - ترشوندگی - قسمت 2: تعیین انرژی آزاد سطحی سطوح جامد با اندازه‌گیری زاویه تماس
- استاندارد ISO 19403-3-7 به جنبه‌های مرتبط مانند تعیین مؤلفه‌های قطبی/توزیعی کشش سطحی و بررسی تنظیمات اندازه‌گیری با مواد مرجع می‌پردازد.
- ISO/TS 14778 کاغذ و مقوا - اندازه‌گیری زاویه تماس آب با روش‌های نوری.
- استاندارد ISO 15989 پلاستیک‌ها - فیلم و ورق - اندازه‌گیری زاویه تماس آب فیلم‌های عمل‌آوری‌شده با کرونا. این استاندارد از بسیاری جهات معادل ASTM D5946 است.
- ISO 27448 سرامیک‌های ظریف (سرامیک‌های پیشرفته، سرامیک‌های فنی پیشرفته) - روش آزمون برای عملکرد خودتمیزشوندگی مواد فوتوکاتالیستی نیمه‌رسانا - اندازه‌گیری زاویه تماس آب.
- ASTM D7334 روش استاندارد برای تعیین ترشوندگی سطح پوشش‌ها، سطوح و رنگدانه‌ها با اندازه‌گیری زاویه تماس پیشرفته.
- ASTM D5946 روش آزمون استاندارد با استفاده از اندازه‌گیری زاویه تماس آب برای فیلم‌های پلیمری عمل‌آوری‌شده با کرونا.
- ASTM D7490 روش آزمون استاندارد برای اندازه‌گیری کشش سطحی پوشش‌های جامد، سطوح و رنگدانه‌ها با استفاده از اندازه‌گیری زاویه تماس.
- ASTM D8597 روش آزمون استاندارد برای آزمایش ترشوندگی سطح پوشش‌ها، سطوح و رنگدانه‌ها با اندازه‌گیری زاویه تماس با استفاده از گونیامترهای قابل حمل.
این استانداردها بر موارد زیر تأکید دارند:
- نمونه‌های واضح، سرراست و گویا.
- محیط کنترل‌شده (دما، رطوبت، بدون لرزش).
- قابلیت اطمینان آماری (چندین افت/موقعیت، انحراف معیار پایین، معمولاً حداقل ۳-۵ درجه).
- تکنیک اصلی شامل روش‌های نوری (قطره ثابت، آنالیز تصویر) است.
امروزه، برای اکثر مطالعات زاویه تماس عمومی یا تحقیقاتی، به ویژه در تعیین انرژی آزاد سطح، استاندارد ISO 19403-2 استاندارد مرجع بین‌المللی است.
سال‌هاست که سازمان ما با تیم متخصص و باتجربه خود، نیازهای مشتریان خود را درک کرده، خدمات تست پیشرفته مورد نیاز آنها را ارائه می‌دهد و در ایجاد، پیاده‌سازی و بهبود سیستم‌های مدیریتی یاری می‌رساند. در این چارچوب، ما خدمات اندازه‌گیری زاویه تماس را نیز به مشاغل ارائه می‌دهیم.
