การวัดมุมสัมผัส

การวัดมุมสัมผัสเป็นหนึ่งในเทคนิคที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในวิทยาศาสตร์พื้นผิว เพื่อบ่งบอกลักษณะการเปียก (การแพร่กระจาย) ของของเหลวบนพื้นผิวของแข็ง เทคนิคนี้ให้ข้อมูลโดยตรงเกี่ยวกับความสามารถในการเปียก พลังงานพื้นผิว ความไม่ชอบน้ำ/ความชอบน้ำ ความสะอาด ผลกระทบจากความหยาบ และคุณสมบัติการยึดเกาะ จึงทำให้เทคนิคนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในสาขาต่างๆ เช่น วิทยาศาสตร์วัสดุ การเคลือบผิว เภสัชกรรม ไมโครฟลูอิดิกส์ สิ่งทอ ชีวการแพทย์ และการผลิตเซมิคอนดักเตอร์

มุมสัมผัสคือมุมที่เกิดขึ้น ณ ขอบเขตสามเฟสที่ของเหลว ของแข็ง และก๊าซ (โดยปกติคืออากาศ) มาบรรจบกัน วัดมุมนี้ภายในหยดของเหลว ระหว่างเส้นสัมผัสกับส่วนต่อประสานระหว่างของเหลวและไอ ณ จุดที่สัมผัสกับพื้นผิวของแข็ง

ถ้าเป็นมุมนี้

• หากมุมน้อยกว่า 90 องศา พื้นผิวนั้นจะเป็นแบบชอบน้ำ (เปียกได้ดี ของเหลวกระจายตัวได้ง่าย)
• ที่อุณหภูมิ 0 องศา การเปียกชุ่มสมบูรณ์ (การกระจายตัวอย่างสมบูรณ์แบบ)
• หากมุมมากกว่า 90 องศา พื้นผิวนั้นจะมีคุณสมบัติไม่ชอบน้ำ (การเปียกน้ำอ่อนมาก ของเหลวจะคงอยู่ในรูปหยด)
• หากมุมเข้าใกล้ 180 องศา จะมีคุณสมบัติกันน้ำได้ดีเยี่ยม (เช่น คุณสมบัติคล้ายใบบัว)

ความสัมพันธ์พื้นฐานนั้นได้มาจากสมการของยัง (Young's equation) ซึ่งตั้งอยู่บนสมมติฐานว่าพื้นผิวมีความเรียบเนียนและเป็นเนื้อเดียวกันในอุดมคติ แต่พื้นผิวจริงมักแสดงความเบี่ยงเบนเนื่องจากความขรุขระ ความไม่สม่ำเสมอทางเคมี หรือการดูดซับ

มุมสัมผัสเผยให้เห็นคุณสมบัติพื้นผิวที่สำคัญ:

• ความสามารถในการเปียก: มีผลต่อการเคลือบ การพิมพ์ การทำความสะอาด และการยึดเกาะ
• ความสะอาดของพื้นผิว: สารปนเปื้อนจะเพิ่มมุมสัมผัส
• คุณสมบัติการไม่ชอบน้ำ/ชอบน้ำ: สำคัญสำหรับพื้นผิวที่ป้องกันการเกิดฝ้า ทำความสะอาดตัวเองได้ หรือเข้ากันได้ทางชีวภาพ
• พลังงานอิสระของพื้นผิว: คำนวณโดยใช้ของเหลวทดสอบหลายชนิดผ่านวิธีการต่างๆ
• ผลกระทบของความหยาบ: สภาวะ "ความหยาบทำให้การเปียกน้ำเพิ่มขึ้น" หรือ "ช่องว่างอากาศทำให้เกิดคุณสมบัติกันน้ำได้ดีเยี่ยม"

วิธีการหลักในการวัดมุมสัมผัสมีดังต่อไปนี้:

• วิธีหยด (การวัดมุมสัมผัสแบบคงที่): นี่เป็นเทคนิคที่พบได้บ่อยที่สุดและง่ายที่สุด หยดน้ำขนาดเล็ก (โดยทั่วไปประมาณ 1-5 ไมโครลิตร) จะถูกวางลงบนพื้นผิวแข็งอย่างเบามือ กล้องความละเอียดสูงจะบันทึกภาพโปรไฟล์ของหยดน้ำ และซอฟต์แวร์จะปรับตามรูปร่างเพื่อกำหนดมุมสัมผัส วิธีนี้ทำได้โดยใช้เครื่องวัดแรงตึงผิวแบบออปติคอล (โกนิโอมิเตอร์หรือเครื่องวิเคราะห์รูปร่างหยดน้ำ) วิธีนี้ง่าย รวดเร็ว และหาได้ง่าย อย่างไรก็ตาม วิธีนี้มีความไวต่อความไม่สม่ำเสมอของพื้นผิวและวัดได้เพียงจุดเดียวเท่านั้น
• การวัดมุมสัมผัสแบบไดนามิก:
• มุมสัมผัสที่เพิ่มขึ้นและลดลง (วิธีใช้เข็ม): เมื่อวัดมุมสัมผัส จะค่อยๆ เติมหรือดึงของเหลวออกจากหยดของเหลว มุมสัมผัสที่เพิ่มขึ้น (เมื่อเส้นสัมผัสกว้างขึ้น) โดยทั่วไปจะสูงกว่ามุมสัมผัสที่ลดลง (เมื่อเส้นสัมผัสแคบลง) ความแตกต่าง (Hysteresis) บ่งชี้ถึงความขรุขระหรือความไม่สม่ำเสมอของพื้นผิว
• วิธีการใช้แผ่นเอียง: ค่อยๆ เอียงพื้นผิวจนกระทั่งหยดน้ำเริ่มเลื่อน แล้ววัดมุมที่ด้านล่าง (ด้านที่หยดน้ำเคลื่อนที่ไปข้างหน้า) และด้านบน (ด้านที่หยดน้ำเคลื่อนที่ถอยหลัง)
• วิธีแผ่นวิลเฮล์มมี: นำแผ่นแข็งหรือเส้นใยจุ่มลงในของเหลว (หรือนำออกจากของเหลว) แล้ววัดแรงด้วยเครื่องชั่งความแม่นยำสูง คำนวณมุมสัมผัสจากแรงเปียก เหมาะสำหรับเส้นใย ผง หรือตัวอย่างที่มีรูปร่างไม่สม่ำเสมอซึ่งการหยดทำได้ยาก
• เทคนิคเฉพาะทางอื่นๆ:
• วิธีฟองอากาศปิด: ใช้สำหรับพื้นผิวที่มีคุณสมบัติชอบน้ำสูง (มีฟองอากาศในของเหลวแทนที่จะเป็นหยดน้ำ)
• การแทรกซึมของเส้นเลือดฝอย / วิธีวอชเบิร์น: สำหรับผงหรือวัสดุที่มีรูพรุน
• วิธีการหยดสารขนาดไมโครสโคปิก/พิโคลิตร: สำหรับลวดลายขนาดเล็กหรือพื้นผิวขนาดไมโคร

น้ำปราศจากไอออนถูกใช้เป็นของเหลวทดสอบในการวัดส่วนใหญ่ การเตรียมพื้นผิวมีความสำคัญอย่างยิ่งในการวัด: ต้องใช้ตัวอย่างที่สะอาด เรียบ และเป็นตัวแทน การวัดหยดน้ำหลายจุด/หลายตำแหน่งเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการวิเคราะห์ทางสถิติ ปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อม (อุณหภูมิ ความชื้น การสั่นสะเทือน) ส่งผลต่อผลลัพธ์ เครื่องมือขั้นสูงมีระบบจ่ายของเหลวอัตโนมัติ แท่นวางเอียง และการแก้ไขความหยาบของพื้นผิว

การวัดมุมสัมผัสยังคงเป็นเครื่องมือที่เรียบง่ายแต่ทรงพลัง ซึ่งผสมผสานหลักการทางอุณหพลศาสตร์ของพื้นผิวขั้นพื้นฐานเข้ากับการใช้งานจริง ตั้งแต่การออกแบบผ้ากันน้ำและการปรับปรุงการยึดเกาะของสี ไปจนถึงการพัฒนาพื้นผิวป้องกันการเกิดน้ำแข็งเกาะ

สำหรับการวัดมุมสัมผัส มีมาตรฐานสากลหลายฉบับที่พัฒนาโดย ISO และ ASTM มาตรฐานเหล่านี้ระบุขั้นตอน อุปกรณ์ที่จำเป็น ของเหลวที่ใช้ทดสอบ ปริมาตรหยดน้ำ สภาพการวัด การประเมินข้อมูล และการรายงาน เพื่อให้มั่นใจได้ถึงความสามารถในการทำซ้ำและเปรียบเทียบได้

มาตรฐานสากลเพียงมาตรฐานเดียวไม่สามารถครอบคลุมการใช้งานทั้งหมดได้ แต่มาตรฐานต่างๆ จะถูกปรับให้เหมาะสมกับวัสดุ อุตสาหกรรม หรือวัตถุประสงค์เฉพาะ (เช่น สี โพลิเมอร์ กระดาษ ฟิล์มที่ผ่านการบำบัดด้วยโคโรนา หรือการกำหนดค่าความเปียก/พลังงานอิสระของพื้นผิวโดยทั่วไป)

มาตรฐาน ISO หลักๆ มีดังต่อไปนี้:

• มาตรฐาน “ISO 19403 สีและวานิช - ความสามารถในการเปียก” เป็นชุดมาตรฐานที่ทันสมัยและครอบคลุมที่สุดสำหรับการวัดมุมสัมผัสทางแสงทั่วไปและการคำนวณพลังงานอิสระของพื้นผิว:
• ISO 19403-1 สีและวานิช - ความสามารถในการเปียก - ส่วนที่ 1: คำศัพท์และหลักการทั่วไป
• ISO 19403-2 สีและวานิช - ความสามารถในการเปียก - ส่วนที่ 2: การหาค่าพลังงานอิสระของพื้นผิวของแข็งโดยการวัดมุมสัมผัส
• ISO 19403-3-7 เกี่ยวข้องกับแง่มุมต่างๆ เช่น การหาองค์ประกอบเชิงขั้ว/เชิงกระจายของแรงตึงผิว และการตรวจสอบการตั้งค่าการวัดด้วยวัสดุอ้างอิง
• ISO/TS 14778 กระดาษและกระดาษแข็ง - การวัดมุมสัมผัสของน้ำด้วยวิธีการทางแสง
• ISO 15989 พลาสติก - ฟิล์มและแผ่น - การวัดมุมสัมผัสของน้ำบนฟิล์มที่ผ่านการบำบัดด้วยโคโรนา มาตรฐานนี้เทียบเท่ากับ ASTM D5946 ในหลายแง่มุม
• ISO 27448 เซรามิกชั้นดี (เซรามิกขั้นสูง เซรามิกทางเทคนิคขั้นสูง) - วิธีทดสอบประสิทธิภาพการทำความสะอาดตัวเองของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์โฟโตคะตาไลติก - การวัดมุมสัมผัสของน้ำ
• ASTM D7334 มาตรฐานการปฏิบัติสำหรับการกำหนดความสามารถในการเปียกของพื้นผิวของสารเคลือบ พื้นผิว และเม็ดสีโดยการวัดมุมสัมผัสขั้นสูง
• ASTM D5946 วิธีทดสอบมาตรฐานโดยใช้การวัดมุมสัมผัสของน้ำสำหรับฟิล์มพอลิเมอร์ที่ผ่านการบำบัดด้วยโคโรนา
• ASTM D7490 วิธีทดสอบมาตรฐานสำหรับการวัดแรงตึงผิวของสารเคลือบ พื้นผิว และเม็ดสีที่เป็นของแข็ง โดยใช้การวัดมุมสัมผัส
• ASTM D8597 วิธีทดสอบมาตรฐานสำหรับการทดสอบความเปียกของพื้นผิวของสารเคลือบ พื้นผิว และเม็ดสี โดยการวัดมุมสัมผัสโดยใช้เครื่องวัดมุมสัมผัสแบบพกพา

มาตรฐานเหล่านี้เน้นย้ำในประเด็นต่อไปนี้:

• ตัวอย่างที่ชัดเจน ตรงไปตรงมา และเป็นตัวแทนที่ดี
• สภาพแวดล้อมที่ควบคุมได้ (อุณหภูมิ ความชื้น ปราศจากการสั่นสะเทือน)
• ความน่าเชื่อถือทางสถิติ (การทดสอบการตกหลายครั้ง/หลายตำแหน่ง ค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานต่ำ โดยทั่วไปอย่างน้อย 3-5 องศา)
• เทคนิคหลักเกี่ยวข้องกับวิธีการทางแสง (หยดน้ำคงที่ การวิเคราะห์ภาพ)

ในปัจจุบัน มาตรฐาน ISO 19403-2 ถือเป็นมาตรฐานอ้างอิงระดับสากล สำหรับงานศึกษาเกี่ยวกับมุมสัมผัสทั่วไปหรือเพื่อการวิจัย โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการกำหนดพลังงานอิสระของพื้นผิว

เป็นเวลานานหลายปีที่องค์กรของเรา ด้วยทีมงานที่มีความสามารถและประสบการณ์ ได้เข้าใจถึงความต้องการของลูกค้า ให้บริการทดสอบขั้นสูงที่พวกเขาต้องการ และให้ความช่วยเหลือในการจัดตั้ง การนำไปใช้ และการปรับปรุงระบบการจัดการ ภายใต้กรอบนี้ เรายังให้บริการวัดมุมสัมผัสแก่ธุรกิจต่างๆ อีกด้วย