Medição do ângulo de contato

A medição do ângulo de contato é uma das técnicas mais utilizadas em ciência de superfícies para caracterizar a facilidade com que um líquido molha (se espalha) sobre uma superfície sólida. Ela fornece informações diretas sobre molhabilidade, energia superficial, hidrofobicidade/hidrofilicidade, limpeza, efeitos da rugosidade e propriedades de adesão. Isso a torna indispensável em áreas como ciência dos materiais, revestimentos, produtos farmacêuticos, microfluídica, têxteis, biomedicina e fabricação de semicondutores.

O ângulo de contato é o ângulo formado na interface trifásica onde um líquido, um sólido e um gás (geralmente ar) se encontram. Ele é medido dentro da gota de líquido, entre a tangente à interface líquido-vapor no ponto de contato com a superfície sólida.

Se este ângulo,

Se o ângulo for menor que 90 graus, a superfície é hidrofílica (boa molhabilidade, o líquido se espalha facilmente).
A 0 graus, molhagem completa (espalhamento perfeito).
Se o ângulo for maior que 90 graus, a superfície é hidrofóbica (molhabilidade fraca, o líquido permanece em gotas).
Se o ângulo se aproximar de 180 graus, a superfície torna-se super-hidrofóbica (por exemplo, o efeito da folha de lótus).

A relação fundamental é dada pela equação de Young, que pressupõe uma superfície ideal, lisa e homogênea. Superfícies reais frequentemente apresentam desvios devido à rugosidade, heterogeneidade química ou absorção.

O ângulo de contato revela propriedades críticas da superfície:

Molhabilidade: Afeta o revestimento, a impressão, a limpeza e a adesão.
Limpeza da superfície: Os contaminantes aumentam o ângulo de contato.
Hidrofobicidade/hidrofilicidade: Importante para superfícies antiembaçantes, autolimpantes ou biocompatíveis.
Energia livre superficial: Calculada utilizando múltiplos fluidos de teste por meio de diversos métodos.
Efeitos da rugosidade: regimes em que "a rugosidade aumenta a molhabilidade" ou "bolsões de ar criam super-hidrofobicidade".

Os principais métodos para medir o ângulo de contato são os seguintes:

Método da gota (ângulo de contato estático): Esta é a técnica mais comum e simples. Uma pequena gota (tipicamente de 1 a 5 μL de água) é delicadamente depositada sobre uma superfície sólida. Uma câmera de alta resolução captura o perfil da gota e um software se adapta ao formato para determinar o ângulo de contato. Isso é feito com um tensiômetro óptico (goniômetro ou analisador de formato de gota). Este método é simples, rápido e amplamente disponível. No entanto, é sensível à heterogeneidade da superfície e mede apenas um ponto.
Medições dinâmicas do ângulo de contato:
Ângulos de avanço e recuo (método da agulha): O líquido é adicionado ou retirado lentamente da gota enquanto se mede o ângulo de contato. O ângulo de contato de avanço (quando a linha de contato se alarga) é geralmente maior que o ângulo de contato de recuo (quando se estreita). A histerese (diferença) indica rugosidade ou heterogeneidade da superfície.
Método da placa inclinada: A superfície é gradualmente inclinada até que a gota comece a deslizar, e os ângulos nos lados descendente (avanço) e ascendente (recuo) são medidos.
Método da placa de Wilhelmy: Uma placa sólida ou fibra é imersa (ou retirada) de um líquido, e a força é medida com uma balança de precisão. O ângulo de contato é calculado a partir da força de molhamento. Ideal para fibras, pós ou amostras irregulares onde o gotejamento é difícil.
Outras técnicas especializadas:
Método da bolha fechada: Utilizado para superfícies altamente hidrofílicas (bolhas de ar no líquido em vez de gotículas).
Método de penetração capilar/Washburn: Para pós ou materiais porosos.
Métodos de gotículas microscópicas/de picolitros: Para padrões pequenos ou microsuperfícies.

A água deionizada é usada como fluido de teste na maioria das medições. A preparação da superfície é crucial nas medições: amostras limpas, planas e representativas são utilizadas. Múltiplas gotas/locais devem ser medidos para fins estatísticos. Fatores ambientais (temperatura, umidade, vibração) afetam os resultados. Instrumentos avançados oferecem dispensação automatizada, plataformas inclinadas e correção de rugosidade.

A medição do ângulo de contato continua sendo uma ferramenta simples, porém poderosa, que combina a termodinâmica de superfícies fundamental com aplicações práticas, desde o design de tecidos impermeáveis e a melhoria da adesão de tintas até o desenvolvimento de superfícies anti-gelo.

Para a medição do ângulo de contato, existem diversas normas internacionais desenvolvidas pela ISO e ASTM. Essas normas especificam procedimentos, requisitos de equipamentos, fluidos de teste, volumes de gotas, condições de medição, avaliação de dados e elaboração de relatórios para garantir repetibilidade e comparabilidade.

Uma única norma universal não abrange todas as aplicações; em vez disso, as normas são adaptadas a materiais, indústrias ou finalidades específicas (por exemplo, tintas, polímeros, papel, filmes tratados por corona ou determinação geral de molhabilidade/energia livre superficial).

As principais normas ISO são as seguintes:

A série de normas “ISO 19403 Tintas e vernizes - Molhabilidade” é a série moderna mais abrangente para medição geral do ângulo de contato óptico e cálculo da energia livre superficial:
ISO 19403-1 Tintas e vernizes - Molhabilidade - Parte 1: Glossário e princípios gerais
ISO 19403-2 Tintas e vernizes - Molhabilidade - Parte 2: Determinação da energia livre superficial de superfícies sólidas pela medição do ângulo de contato
A norma ISO 19403-3-7 trata de aspectos relacionados, como a determinação das componentes polares/distributivas da tensão superficial e a verificação de configurações de medição com materiais de referência.
ISO/TS 14778 Papel e cartão - Medição do ângulo de contato da água por métodos ópticos.
ISO 15989 Plásticos - Filmes e folhas - Medição do ângulo de contato com água em filmes tratados por corona. Esta norma é equivalente à ASTM D5946 em muitos aspectos.
ISO 27448 Cerâmicas finas (cerâmicas avançadas, cerâmicas técnicas avançadas) - Método de ensaio para desempenho de autolimpeza de materiais semicondutores fotocatalíticos - Medição do ângulo de contato com a água.
Norma ASTM D7334: Prática padrão para determinar a molhabilidade superficial de revestimentos, superfícies e pigmentos por meio de medição avançada do ângulo de contato.
Método de ensaio padrão ASTM D5946 para medições do ângulo de contato com água em filmes poliméricos tratados com corona.
ASTM D7490 Método de ensaio padrão para medir a tensão superficial de revestimentos sólidos, superfícies e pigmentos usando medições de ângulo de contato.
ASTM D8597 Método de ensaio padrão para testar a molhabilidade da superfície de revestimentos, superfícies e pigmentos por meio da medição do ângulo de contato utilizando goniômetros portáteis.

Essas normas enfatizam o seguinte:

Exemplos claros, diretos e representativos.
Ambiente controlado (temperatura, umidade, livre de vibrações).
Confiabilidade estatística (múltiplas quedas/posições, baixo desvio padrão, normalmente de pelo menos 3 a 5 graus).
A técnica principal envolve métodos ópticos (gota fixa, análise de imagem).

Atualmente, para a maioria dos estudos de ângulo de contato de uso geral ou baseados em pesquisa, particularmente na determinação da energia livre superficial, a norma ISO 19403-2 é a norma de referência internacional.

Há muitos anos, nossa organização, com sua equipe competente e experiente, compreende as necessidades de seus clientes, fornecendo os serviços avançados de teste que eles exigem e auxiliando no estabelecimento, implementação e aprimoramento de sistemas de gestão. Nesse contexto, também oferecemos serviços de medição de ângulo de contato para empresas.