Đo góc tiếp xúc

Đo góc tiếp xúc là một trong những kỹ thuật được sử dụng rộng rãi nhất trong khoa học bề mặt để đặc trưng hóa khả năng thấm ướt (lan rộng) của chất lỏng trên bề mặt rắn. Nó cung cấp thông tin trực tiếp về khả năng thấm ướt, năng lượng bề mặt, tính kỵ nước/ưa nước, độ sạch, ảnh hưởng của độ nhám và các đặc tính bám dính. Điều này làm cho nó trở nên không thể thiếu trong các lĩnh vực như khoa học vật liệu, lớp phủ, dược phẩm, vi lưu chất, dệt may, y sinh học và sản xuất chất bán dẫn.

Đo góc tiếp xúc

Góc tiếp xúc là góc tạo thành tại ranh giới ba pha nơi chất lỏng, chất rắn và chất khí (thường là không khí) gặp nhau. Nó được đo bên trong giọt chất lỏng, giữa tiếp tuyến với mặt phân cách lỏng-hơi tại điểm tiếp xúc với bề mặt rắn.

Nếu góc này,

Nếu góc nhỏ hơn 90 độ, bề mặt đó có tính ưa nước (khả năng thấm ướt tốt, chất lỏng dễ dàng lan rộng).
Ở 0 độ, bề mặt được làm ướt hoàn toàn (phân bố đều hoàn hảo).
Nếu góc lớn hơn 90 độ, bề mặt đó có tính kỵ nước (khả năng thấm ướt yếu, chất lỏng vẫn đọng thành giọt).
Nếu góc tiếp xúc gần 180 độ, bề mặt đó sẽ siêu kỵ nước (ví dụ: hiệu ứng lá sen).

Mối quan hệ cơ bản được thể hiện bằng phương trình Young, phương trình này giả định một bề mặt lý tưởng, nhẵn, đồng nhất. Trên thực tế, các bề mặt thường có sự sai lệch do độ nhám, tính không đồng nhất về hóa học hoặc sự hấp thụ.

Góc tiếp xúc cho thấy các đặc tính bề mặt quan trọng:

Khả năng thấm ướt: Ảnh hưởng đến quá trình phủ, in ấn, làm sạch và độ bám dính.
Độ sạch bề mặt: Các chất gây ô nhiễm làm tăng góc tiếp xúc.
Tính kỵ nước/ưa nước: Quan trọng đối với các bề mặt chống sương mù, tự làm sạch hoặc tương thích sinh học.
Năng lượng tự do bề mặt: Được tính toán bằng cách sử dụng nhiều chất lỏng thăm dò thông qua các phương pháp khác nhau.
Ảnh hưởng của độ nhám: "Độ nhám làm tăng khả năng thấm ướt" hoặc "các túi khí tạo ra tính siêu kỵ nước".

Các phương pháp chính để đo góc tiếp xúc như sau:

Phương pháp nhỏ giọt (góc tiếp xúc tĩnh): Đây là kỹ thuật phổ biến và đơn giản nhất. Một giọt nhỏ (thường là 1-5 μL nước) được nhẹ nhàng đặt lên bề mặt rắn. Camera độ phân giải cao sẽ ghi lại hình dạng giọt, và phần mềm sẽ tự điều chỉnh theo hình dạng để xác định góc tiếp xúc. Quá trình này được thực hiện bằng máy đo sức căng bề mặt quang học (máy đo góc hoặc máy phân tích hình dạng giọt). Phương pháp này đơn giản, nhanh chóng và được sử dụng rộng rãi. Tuy nhiên, nó nhạy cảm với sự không đồng nhất của bề mặt và chỉ đo được tại một điểm duy nhất.
Đo góc tiếp xúc động:
Góc tiếp xúc tiến và lùi (phương pháp kim): Từ từ thêm chất lỏng vào hoặc rút ra khỏi giọt chất lỏng trong khi đo góc tiếp xúc. Góc tiếp xúc tiến (khi đường tiếp xúc mở rộng) thường cao hơn góc tiếp xúc lùi (khi nó thu hẹp lại). Hiện tượng trễ (sự khác biệt) cho thấy độ nhám hoặc tính không đồng nhất của bề mặt.
Phương pháp mặt phẳng nghiêng: Bề mặt được nghiêng dần cho đến khi giọt chất lỏng bắt đầu trượt, và các góc ở phía dưới (tiến lên) và phía trên (lùi lại) được đo.
Phương pháp tấm Wilhelmy: Một tấm rắn hoặc sợi được nhúng vào (hoặc lấy ra khỏi) chất lỏng, và lực được đo bằng cân chính xác. Góc tiếp xúc được tính toán từ lực làm ướt. Lý tưởng cho các loại sợi, bột hoặc các mẫu không đều, nơi việc nhỏ giọt khó khăn.
Các kỹ thuật chuyên biệt khác:
Phương pháp bong bóng kín: Được sử dụng cho các bề mặt có tính ưa nước cao (bong bóng khí trong chất lỏng thay vì giọt chất lỏng).
Phương pháp thẩm thấu mao dẫn / Phương pháp Washburn: Dùng cho bột hoặc vật liệu xốp.
Phương pháp nhỏ giọt vi mô/pico-lít: Dùng cho các hình dạng nhỏ hoặc bề mặt siêu nhỏ.

Nước khử ion được sử dụng làm chất lỏng thăm dò trong hầu hết các phép đo. Chuẩn bị bề mặt là rất quan trọng trong các phép đo: sử dụng các mẫu sạch, phẳng và đại diện. Cần đo nhiều giọt/vị trí để phục vụ mục đích thống kê. Các yếu tố môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, độ rung) ảnh hưởng đến kết quả. Các thiết bị tiên tiến cung cấp khả năng phân phối tự động, bàn nghiêng và hiệu chỉnh độ nhám.

Việc đo góc tiếp xúc vẫn là một công cụ đơn giản nhưng mạnh mẽ, kết hợp nhiệt động lực học bề mặt cơ bản với các ứng dụng thực tế, từ thiết kế vải chống thấm nước và cải thiện độ bám dính của sơn đến phát triển các bề mặt chống đóng băng.

Đối với phép đo góc tiếp xúc, có một số tiêu chuẩn quốc tế do ISO và ASTM phát triển. Các tiêu chuẩn này quy định các quy trình, yêu cầu về thiết bị, dung dịch thử nghiệm, thể tích giọt, điều kiện đo, đánh giá dữ liệu và báo cáo để đảm bảo tính lặp lại và khả năng so sánh.

Một tiêu chuẩn chung duy nhất không thể bao quát tất cả các ứng dụng; thay vào đó, các tiêu chuẩn được thiết kế riêng cho các vật liệu, ngành công nghiệp hoặc mục đích cụ thể (ví dụ: sơn, polyme, giấy, màng xử lý bằng phóng điện corona, hoặc xác định khả năng thấm ướt/năng lượng tự do bề mặt nói chung).

Các tiêu chuẩn ISO chính như sau:

Bộ tiêu chuẩn “ISO 19403 Sơn và vecni - Khả năng thấm ướt” là bộ tiêu chuẩn hiện đại toàn diện nhất用于 đo góc tiếp xúc quang học tổng quát và tính toán năng lượng tự do bề mặt:
ISO 19403-1 Sơn và vecni - Khả năng thấm ướt - Phần 1: Thuật ngữ và nguyên tắc chung
ISO 19403-2 Sơn và vecni - Khả năng thấm ướt - Phần 2: Xác định năng lượng tự do bề mặt của các bề mặt rắn bằng cách đo góc tiếp xúc
Tiêu chuẩn ISO 19403-3-7 đề cập đến các khía cạnh liên quan như xác định các thành phần cực/phân bố của sức căng bề mặt và kiểm tra các thiết lập đo lường bằng vật liệu tham chiếu.
Tiêu chuẩn ISO/TS 14778 Giấy và bìa cứng - Đo góc tiếp xúc của nước bằng phương pháp quang học.
Tiêu chuẩn ISO 15989 Nhựa - Màng và tấm - Đo góc tiếp xúc nước của màng được xử lý bằng phóng điện corona. Tiêu chuẩn này tương đương với ASTM D5946 ở nhiều khía cạnh.
ISO 27448 Gốm sứ cao cấp (gốm sứ tiên tiến, gốm sứ kỹ thuật tiên tiến) - Phương pháp thử nghiệm hiệu suất tự làm sạch của vật liệu quang xúc tác bán dẫn - Đo góc tiếp xúc của nước.
Tiêu chuẩn ASTM D7334 là quy trình tiêu chuẩn để xác định khả năng thấm ướt bề mặt của lớp phủ, bề mặt và chất màu bằng phương pháp đo góc tiếp xúc tiên tiến.
Tiêu chuẩn ASTM D5946 là phương pháp thử nghiệm sử dụng phép đo góc tiếp xúc nước đối với màng polymer được xử lý bằng phóng điện corona.
Tiêu chuẩn ASTM D7490 là phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn để đo sức căng bề mặt của các lớp phủ rắn, bề mặt và chất màu bằng cách sử dụng phép đo góc tiếp xúc.
Tiêu chuẩn ASTM D8597 là phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn để kiểm tra khả năng thấm ướt bề mặt của lớp phủ, bề mặt và chất màu bằng cách đo góc tiếp xúc sử dụng máy đo góc cầm tay.

Các tiêu chuẩn này nhấn mạnh những điểm sau:

Các ví dụ rõ ràng, đơn giản và tiêu biểu.
Môi trường được kiểm soát (nhiệt độ, độ ẩm, không rung động).
Độ tin cậy thống kê (nhiều lần thả/vị trí, độ lệch chuẩn thấp, thường ít nhất là 3-5 độ).
Kỹ thuật chính là các phương pháp quang học (giọt cố định, phân tích hình ảnh).

Hiện nay, đối với hầu hết các nghiên cứu về góc tiếp xúc đa mục đích hoặc nghiên cứu khoa học, đặc biệt là trong việc xác định năng lượng tự do bề mặt, tiêu chuẩn ISO 19403-2 là tiêu chuẩn tham chiếu quốc tế.

Trong nhiều năm qua, tổ chức của chúng tôi, với đội ngũ nhân viên có năng lực và giàu kinh nghiệm, đã thấu hiểu nhu cầu của khách hàng, cung cấp các dịch vụ kiểm thử tiên tiến mà họ yêu cầu, và hỗ trợ trong việc thiết lập, triển khai và cải tiến các hệ thống quản lý. Trong khuôn khổ này, chúng tôi cũng cung cấp dịch vụ đo góc tiếp xúc cho các doanh nghiệp.