Pengukuran Sudut Kontak

Pengukuran sudut kontak adalah salah satu teknik yang paling banyak digunakan dalam ilmu permukaan untuk mengkarakterisasi seberapa baik cairan membasahi (menyebar) pada permukaan padat. Teknik ini memberikan informasi langsung tentang kemampuan pembasahan, energi permukaan, hidrofobisitas/hidrofilisitas, kebersihan, efek kekasaran, dan sifat adhesi. Hal ini menjadikannya sangat penting di berbagai bidang seperti ilmu material, pelapis, farmasi, mikrofluida, tekstil, biomedis, dan manufaktur semikonduktor.

Sudut kontak adalah sudut yang terbentuk pada batas tiga fasa tempat cairan, padatan, dan gas (biasanya udara) bertemu. Sudut ini diukur di dalam tetesan cairan, antara garis singgung pada antarmuka cairan-uap di titik kontak dengan permukaan padatan.

Jika sudut ini,

Jika sudutnya kurang dari 90 derajat, permukaan tersebut bersifat hidrofilik (daya basah yang baik, cairan mudah menyebar).
Pada suhu 0 derajat, pembasahan sempurna (penyebaran yang sempurna).
Jika sudutnya lebih besar dari 90 derajat, permukaan tersebut bersifat hidrofobik (daya basah lemah, cairan tetap dalam bentuk tetesan).
Jika mendekati 180 derajat, maka permukaannya bersifat superhidrofobik (misalnya, efek daun teratai).

Hubungan mendasar diberikan oleh persamaan Young, yang mengasumsikan permukaan ideal, halus, dan homogen. Permukaan nyata sering menunjukkan penyimpangan karena kekasaran, heterogenitas kimia, atau penyerapan.

Sudut kontak mengungkapkan sifat-sifat permukaan yang penting:

Kemampuan pembasahan: Memengaruhi pelapisan, pencetakan, pembersihan, dan daya rekat.
Kebersihan permukaan: Kontaminan meningkatkan sudut kontak.
Hidrofobisitas/hidrofilisitas: Penting untuk permukaan anti-kabut, pembersihan mandiri, atau biokompatibel.
Energi bebas permukaan: Dihitung menggunakan beberapa fluida uji melalui berbagai metode.
Pengaruh kekasaran: “Kekasaran meningkatkan pembasahan” atau “kantong udara menciptakan superhidrofobisitas”.

Metode utama untuk mengukur sudut kontak adalah sebagai berikut:

Metode tetes (sudut kontak statis): Ini adalah teknik yang paling umum dan sederhana. Setetes kecil (biasanya 1-5 μL air) diletakkan dengan lembut di permukaan padat. Kamera beresolusi tinggi menangkap profil tetes, dan perangkat lunak menyesuaikan bentuknya untuk menentukan sudut kontak. Ini dilakukan dengan tensiometer optik (goniometer atau penganalisis bentuk tetes). Metode ini sederhana, cepat, dan tersedia secara luas. Namun, metode ini sensitif terhadap heterogenitas permukaan dan hanya mengukur satu titik.
Pengukuran sudut kontak dinamis:
Sudut kontak maju dan mundur (metode jarum): Cairan ditambahkan atau ditarik perlahan dari tetesan saat mengukur sudut kontak. Sudut kontak maju (ketika garis kontak melebar) umumnya lebih tinggi daripada sudut kontak mundur (ketika menyempit). Histeresis (perbedaan) menunjukkan kekasaran atau heterogenitas permukaan.
Metode pelat miring: Permukaan secara bertahap dimiringkan hingga tetesan mulai meluncur, dan sudut pada sisi bawah (maju) dan atas (mundur) diukur.
Metode pelat Wilhelmy: Sebuah pelat atau serat padat dicelupkan ke dalam (atau dikeluarkan dari) cairan, dan gaya yang diberikan diukur dengan timbangan presisi. Sudut kontak dihitung dari gaya pembasahan. Ideal untuk serat, bubuk, atau sampel tidak beraturan di mana metode tetesan sulit dilakukan.
Teknik khusus lainnya:
Metode gelembung tertutup: Digunakan untuk permukaan yang sangat hidrofilik (gelembung udara dalam cairan, bukan tetesan).
Penetrasi kapiler / Metode Washburn: Untuk bubuk atau bahan berpori.
Metode tetesan mikroskopis/pikoliter: Untuk pola kecil atau permukaan mikro.

Air deionisasi digunakan sebagai cairan uji dalam sebagian besar pengukuran. Persiapan permukaan sangat penting dalam pengukuran: sampel yang digunakan bersih, rata, dan representatif. Beberapa tetesan/lokasi harus diukur untuk tujuan statistik. Faktor lingkungan (suhu, kelembaban, getaran) memengaruhi hasilnya. Instrumen canggih menawarkan pengeluaran otomatis, meja miring, dan koreksi kekasaran.

Pengukuran sudut kontak tetap menjadi alat yang sederhana namun ampuh yang menggabungkan termodinamika permukaan fundamental dengan aplikasi dunia nyata, mulai dari desain kain tahan air dan peningkatan daya rekat cat hingga pengembangan permukaan anti-pembekuan.

Untuk pengukuran sudut kontak, terdapat beberapa standar internasional yang dikembangkan oleh ISO dan ASTM. Standar-standar ini menetapkan prosedur, persyaratan peralatan, cairan uji, volume tetesan, kondisi pengukuran, evaluasi data, dan pelaporan untuk memastikan pengulangan dan perbandingan.

Standar universal tunggal tidak mencakup semua aplikasi; sebaliknya, standar disesuaikan dengan material, industri, atau tujuan tertentu (misalnya, cat, polimer, kertas, film yang diberi perlakuan korona, atau penentuan kemampuan pembasahan/energi bebas permukaan secara umum).

Standar ISO utama adalah sebagai berikut:

Seri standar “ISO 19403 Cat dan pernis - Keterbasahan” adalah seri modern terlengkap untuk pengukuran sudut kontak optik umum dan perhitungan energi bebas permukaan:
ISO 19403-1 Cat dan pernis - Keterbasahan - Bagian 1: Glosarium dan prinsip umum
ISO 19403-2 Cat dan pernis - Kebasahan - Bagian 2: Penentuan energi bebas permukaan permukaan padat dengan pengukuran sudut kontak
ISO 19403-3-7 membahas aspek-aspek terkait seperti menentukan komponen polar/distributif tegangan permukaan dan memeriksa pengaturan pengukuran dengan bahan referensi.
ISO/TS 14778 Kertas dan karton - Pengukuran sudut kontak air dengan metode optik.
ISO 15989 Plastik - Film dan lembaran - Pengukuran sudut kontak air pada film yang diberi perlakuan korona. Standar ini setara dengan ASTM D5946 dalam banyak hal.
ISO 27448 Keramik halus (keramik canggih, keramik teknis canggih) - Metode pengujian kinerja pembersihan mandiri bahan fotokatalitik semikonduktor - Pengukuran sudut kontak air.
ASTM D7334 Standar praktik untuk menentukan kemampuan pembasahan permukaan pelapis, permukaan, dan pigmen dengan pengukuran sudut kontak tingkat lanjut.
Metode uji standar ASTM D5946 menggunakan pengukuran sudut kontak air untuk film polimer yang diberi perlakuan korona.
ASTM D7490 Metode uji standar untuk mengukur tegangan permukaan lapisan padat, permukaan, dan pigmen menggunakan pengukuran sudut kontak.
ASTM D8597 Metode uji standar untuk menguji kemampuan pembasahan permukaan lapisan, permukaan, dan pigmen dengan pengukuran sudut kontak menggunakan goniometer portabel.

Standar-standar ini menekankan hal-hal berikut:

Contoh yang bersih, lugas, dan representatif.
Lingkungan terkontrol (suhu, kelembapan, bebas getaran).
Keandalan statistik (beberapa kali jatuh/posisi, deviasi standar rendah, biasanya minimal 3-5 derajat).
Teknik utama melibatkan metode optik (tetesan tetap, analisis gambar).

Saat ini, untuk sebagian besar studi sudut kontak yang bersifat umum atau berbasis penelitian, khususnya dalam menentukan energi bebas permukaan, standar ISO 19403-2 adalah standar referensi internasional.

Selama bertahun-tahun, organisasi kami, dengan tim yang kompeten dan berpengalaman, telah memahami kebutuhan klien, menyediakan layanan pengujian canggih yang mereka butuhkan, dan membantu dalam pembentukan, implementasi, dan peningkatan sistem manajemen. Dalam kerangka kerja ini, kami juga menyediakan layanan pengukuran sudut kontak untuk bisnis.