Pengukuran Sudut Sentuh

Pengukuran sudut sentuh merupakan salah satu teknik yang paling banyak digunakan dalam sains permukaan untuk mencirikan sejauh mana cecair membasahi (merebak) pada permukaan pepejal. Ia memberikan maklumat langsung tentang kebolehbasahan, tenaga permukaan, hidrofobisiti/hidrofilisiti, kebersihan, kesan kekasaran dan sifat lekatan. Ini menjadikannya sangat diperlukan dalam bidang seperti sains bahan, salutan, farmaseutikal, mikrofluidik, tekstil, bioperubatan dan pembuatan semikonduktor.

Sudut sentuhan ialah sudut yang terbentuk pada sempadan tiga fasa di mana cecair, pepejal dan gas (biasanya udara) bertemu. Ia diukur dalam titisan cecair, antara tangen kepada antara muka cecair-wap pada titik sentuhan dengan permukaan pepejal.

Jika sudut ini,

Jika sudutnya kurang daripada 90 darjah, permukaannya hidrofilik (pembasahan yang baik, cecair mudah merebak).
Pada 0 darjah, pembasahan lengkap (penyebaran sempurna).
Jika sudutnya lebih besar daripada 90 darjah, permukaannya hidrofobik (pembasahan lemah, cecair kekal dalam titisan).
Jika ia menghampiri 180 darjah, ia adalah superhidrofobik (contohnya, kesan daun teratai).

Hubungan asas diberikan oleh persamaan Young, yang mengandaikan permukaan yang ideal, licin dan homogen. Permukaan sebenar sering menunjukkan sisihan disebabkan oleh kekasaran, heterogeniti kimia atau penyerapan.

Sudut sentuhan mendedahkan sifat permukaan kritikal:

Kebolehbasahan: Mempengaruhi salutan, percetakan, pembersihan dan lekatan.
Kebersihan permukaan: Bahan cemar meningkatkan sudut sentuhan.
Hidrofobisiti/hidrofilisiti: Penting untuk permukaan anti-kabus, pembersihan kendiri atau bioserasi.
Tenaga bebas permukaan: Dikira menggunakan pelbagai bendalir prob melalui pelbagai kaedah.
Kesan kekasaran: rejim “Kekasaran meningkatkan pembasahan” atau “poket udara menghasilkan superhidrofobisiti”.

Kaedah utama untuk mengukur sudut sentuhan adalah seperti berikut:

Kaedah titisan (sudut sentuhan statik): Ini adalah teknik yang paling biasa dan paling mudah. Titisan kecil (biasanya 1-5 μL air) diletakkan perlahan-lahan di atas permukaan pepejal. Kamera beresolusi tinggi merakam profil titisan dan perisian menyesuaikan diri dengan bentuk untuk menentukan sudut sentuhan. Ini dilakukan dengan tensiometer optik (goniometer atau penganalisis bentuk titisan). Kaedah ini mudah, pantas dan tersedia secara meluas. Walau bagaimanapun, ia sensitif terhadap heterogeniti permukaan dan hanya mengukur satu titik.
Pengukuran sudut sentuhan dinamik:
Sudut mara dan undur (kaedah jarum): Cecair ditambah atau dikeluarkan secara perlahan-lahan daripada titisan sambil mengukur sudut sentuhan. Sudut sentuhan mara (apabila garis sentuhan melebar) secara amnya lebih tinggi daripada sudut sentuhan undur (apabila ia menyempit). Histeresis (perbezaan) menunjukkan kekasaran atau heterogeniti permukaan.
Kaedah plat condong: Permukaan dicondongkan secara beransur-ansur sehingga titisan mula meluncur, dan sudut pada sisi ke bawah (maju) dan ke atas (berundur) diukur.
Kaedah plat Wilhelmy: Plat atau gentian pepejal direndam dalam (atau dikeluarkan daripada) cecair, dan daya diukur dengan keseimbangan ketepatan. Sudut sentuhan dikira daripada daya pembasahan. Sesuai untuk gentian, serbuk atau sampel yang tidak sekata di mana titisan sukar.
Teknik khusus lain:
Kaedah gelembung tertutup: Digunakan untuk permukaan yang sangat hidrofilik (gelembung udara dalam cecair dan bukannya titisan).
Penembusan kapilari / Kaedah pembakaran semula jadi: Untuk serbuk atau bahan berliang.
Kaedah titisan mikroskopik/piko-liter: Untuk corak kecil atau permukaan mikro.

Air ternyahion digunakan sebagai bendalir prob dalam kebanyakan pengukuran. Penyediaan permukaan adalah penting dalam pengukuran: sampel yang bersih, rata dan representatif digunakan. Pelbagai titisan/lokasi mesti diukur untuk tujuan statistik. Faktor persekitaran (suhu, kelembapan, getaran) mempengaruhi keputusan. Instrumen canggih menawarkan pendispensan automatik, peringkat condong dan pembetulan kekasaran.

Pengukuran sudut sentuh kekal sebagai alat yang mudah tetapi berkuasa yang menggabungkan termodinamik permukaan asas dengan aplikasi dunia sebenar, daripada reka bentuk fabrik kalis air dan meningkatkan lekatan cat kepada pembangunan permukaan anti-aising.

Bagi pengukuran sudut sentuhan, terdapat beberapa piawaian antarabangsa yang dibangunkan oleh ISO dan ASTM. Piawaian ini menetapkan prosedur, keperluan peralatan, bendalir ujian, isipadu titisan, keadaan pengukuran, penilaian data dan pelaporan untuk memastikan kebolehulangan dan perbandingan.

Satu piawaian universal tidak merangkumi semua aplikasi; sebaliknya, piawaian disesuaikan untuk bahan, industri atau tujuan tertentu (contohnya, cat, polimer, kertas, filem yang dirawat korona atau penentuan kebolehbasahan/tenaga bebas permukaan umum).

Piawaian utama ISO adalah seperti berikut:

Siri standard “ISO 19403 Cat dan varnis - Kebolehbasahan” ialah siri moden yang paling komprehensif untuk pengukuran sudut sentuhan optik umum dan pengiraan tenaga bebas permukaan:
ISO 19403-1 Cat dan varnis - Kebolehbasahan - Bahagian 1: Glosari dan prinsip umum
ISO 19403-2 Cat dan varnis - Kebolehbasahan - Bahagian 2: Penentuan tenaga bebas permukaan permukaan pepejal dengan pengukuran sudut sentuhan
ISO 19403-3-7 membincangkan aspek berkaitan seperti menentukan komponen kutub/taburan bagi tegangan permukaan dan menyemak persediaan pengukuran dengan bahan rujukan.
ISO/TS 14778 Kertas dan kadbod - Pengukuran sudut sentuhan air melalui kaedah optik.
ISO 15989 Plastik - Filem dan kepingan - Pengukuran sudut sentuhan air filem yang dirawat korona. Piawaian ini bersamaan dengan ASTM D5946 dalam banyak aspek.
ISO 27448 Seramik halus (seramik termaju, seramik teknikal termaju) - Kaedah ujian untuk prestasi pembersihan kendiri bahan fotopemangkin semikonduktor - Pengukuran sudut sentuhan air.
ASTM D7334 Amalan piawai untuk menentukan kebolehbasahan permukaan salutan, permukaan dan pigmen melalui pengukuran sudut sentuhan lanjutan.
ASTM D5946 Kaedah ujian piawai menggunakan ukuran sudut sentuhan air untuk filem polimer yang dirawat korona.
ASTM D7490 Kaedah ujian piawai untuk mengukur tegangan permukaan salutan pepejal, permukaan dan pigmen menggunakan ukuran sudut sentuhan.
ASTM D8597 Kaedah ujian piawai untuk menguji kebolehbasahan permukaan salutan, permukaan dan pigmen melalui pengukuran sudut sentuhan menggunakan goniometer mudah alih.

Piawaian-piawaian ini menekankan perkara-perkara berikut:

Contoh yang bersih, mudah difahami dan representatif.
Persekitaran terkawal (suhu, kelembapan, bebas getaran).
Kebolehpercayaan statistik (pelbagai penurunan/kedudukan, sisihan piawai rendah, biasanya sekurang-kurangnya 3-5 darjah).
Teknik utama melibatkan kaedah optik (titisan tetap, analisis imej).

Hari ini, bagi kebanyakan kajian sudut sentuh tujuan umum atau berasaskan penyelidikan, terutamanya dalam menentukan tenaga bebas permukaan, piawaian ISO 19403-2 ialah piawaian rujukan antarabangsa.

Selama bertahun-tahun, organisasi kami, dengan pasukannya yang cekap dan berpengalaman, telah memahami keperluan pelanggannya, menyediakan perkhidmatan ujian lanjutan yang mereka perlukan, dan membantu dalam penubuhan, pelaksanaan dan penambahbaikan sistem pengurusan. Dalam rangka kerja ini, kami juga menyediakan perkhidmatan pengukuran sudut sentuh kepada perniagaan.