如何测水接触角

      超亲水一般是指水滴能够在材料表面完全铺展开，使接触角等于或者接近于0°。超亲水材料对水的润湿性非常好，水滴在这种材料表面上极易铺展，接触角数值很小，称为极低接触角。

      在不少应用领域遇到的接触角的值会很低，或者要求其值越低越好。比如液晶屏和太阳能电池板的清洗工序就是这样一个比较典型的应用领域，通过对玻璃/金属等表面的清洗以去除上面的油脂等有机、低表面能的污染物，然后通过测量水滴在其上面的接触角来评估或确保清洗的效果。清洗后有机污染物去除的越彻底，材料表面越清洁则接触角数值越小。工艺上往往要求水滴的接触角小于10°甚至更低。

       多数情况下，当接触角低于约 15°时，测量难度将随着接触角角度的减小而急剧升高，准确性和可靠性下降；当接触角低于约 5°时，已几乎很难再得到有意义的结果。这是因为当接触角下降到这一范围时，液滴的侧面图像严重受到侧面光照和样品反光的影响，采用传统侧视成像的方法很难再获得准确的液滴边缘轮廓，这会直接影响接触角的拟合计算。为了解决极低接触角的测量问题，LAUDA Scientific接触角测量仪引入了一种可靠的极低接触角测量方法：俯视成像测量方法。俯视测量法是通过从液滴正上方观测在固体表面上的液滴形状来获得液滴接触角的测量方法。

       下图是使用传统侧视法和俯视法对同一液滴同时拍照得到的照片。显然接触角值在5°左右时侧视法照片的液滴轮廓已经模糊，软件已经无法自动准确的获得液滴的边缘轮廓，而俯视法液滴的三相接触线轮廓清晰可见。

俯视法接触角测量仪测量范围广，尤其是接触角值极小时依然能够得到准确可靠的测量结果。在此类应用中俯视法和传统侧视法相比，有着明显的优势，是测量超亲水材料接触角的优先选择。

根据接触角不同计算模型的特点，一般来说在材料表面均一性较好的情况下，侧视法接触角测量仪测量接触角值在0~180°范围内都可以使用，并且在130°以上时侧视法测量结果更为可靠；俯视法接触角测量仪测量接触角值在0~180°范围内都可以使用，并且在10°以下时俯视法测量结果更为可靠。

       接触角分为静态接触角和动态接触角。其中静态接触角是液滴处于静止状态时对应的接触角，静态接触角的测量方法主要为座滴法。要进行座滴法接触角测量，首先需要创建一个新的液滴，并选择测量方法“Sessile Drop”。若要使用俘虏气泡测量，则选择“Captive Bubble”。其次调节形成液滴的注射针管的位置，使其处于合适的位置，同时把样品放置于样品台上，并调节样品台到适合的高度。

       缓慢加液在针管的端口形成指定体积的液滴，接着把针管端口的液滴转移到待测样品表面，完成液滴转移后，就可以进行接触角的测量了。

       接触角的测量可以细分为三个步骤：

       一、基线的确定：这一步可以通过手动调节，或者由软件自动确定。在一般情况下，软件能非常可靠地自动检测液滴的基线，所以一般情况下，可以采用软件的自动基线检测功能，且软件自动确定的基线位置往往比手动调节来得准确，这一点对大接触角的测量尤其重要。只有当软件无法完成这一任务时，才有必要采用手动调节的方法。

       二、液滴轮廓坐标点的确定：在完成了基线位置的确定后，点击工具栏中的液滴轮廓检测图标，以自动检测液滴的轮廓坐标点。

       三、接触角值的计算：当液滴的基线确定、液滴的轮廓坐标检测到后，软件就可以自动计算接触角值了。

       以上三步也可以合成一步，基线的检测选为自动检测“Auto Baseline”，那么只要点击计算图标，软件就会依次自动检测基线、自动检测液滴轮廓坐标、完成接触角值的计算。

接触角是指在气、液、固三相交点处所作的气-液界面的切线在液体一方与固-液交界线之间的夹角θ。这一角度的值标志着液体在固体表面的润湿性：当润湿性很好时，液体可以在固体表面完全铺展开，呈现0°的接触角值；当润湿性很差时，液体在固体表面完全无法铺展，只能聚集在一起而包成一团，呈现180°的接触角值；当润湿性界于很好与很差之间时，液体在固体表面可以有限度地铺展开来，形成介于 0°~ 180°之间的接触角。

测量液体在固体表面接触角一般有二种方法：天平称量法和光学法。

一、天平称量法是一种间接测量接触角的方法，是薄板法表面张力测量仪的副产物。这一方法只适用于几何形状规则的固体表面（如圆柱体和长方形薄板），而且测量的也只能是整个接触周边表面上的平均接触角值，不能只限于测量其中的一个面。

二、光学法是建立在直接观测液滴在固体表面的接触角的测量法，是一种直接测量法。它几乎不受固体表面几何形状和尺寸的限制，适用性广，测量模式众多，而且测量多可在与实际应用相同或相似的条件下进行。自从引入了相机和数字图像处理后，视频光学法不但大大提高了测量的自动化程度和速度，减少了人为主观因素的影响，而且使得测量的精度和准确性也获得大幅度提高。

相比较而言，应用广泛、测量直接与准确的接触角测量方法是光学接触角测量法。    

       超亲水材料对水的润湿性非常好，水滴在这种材料表面上极易铺展，接触角数值很小，称为极低接触角。

       在很多应用领域会涉及到极低接触角的测量。比如液晶屏和太阳能电池板的清洗工序。清洗后有机污染物去除的越彻底，材料表面越清洁则接触角数值越小。工艺上往往要求水滴的接触角小于10°甚至更低。

       利用传统的侧视法接触角测量仪时，如果接触角低于 15°，测量难度将随着接触角角度的减小而急剧升高，准确性和可靠性下降。当接触角低于约 5°时，几乎很难再得到有意义的结果。这是因为当接触角下降到这一范围时，液滴的侧面图像严重受到侧面光照和样品反光的影响，采用传统侧视成像的方式很难再获得准确的液滴边缘轮廓，这会直接影响接触角的拟合计算。

        解决极低接触角的测量问题，采用俯视成像方式是一种非常可靠的测量方法。俯视测量法是通过从液滴正上方观测在固体表面上的液滴形状来获得液滴接触角的测量方法。

        下图是使用侧视法和俯视法对同一液滴同时拍照得到的照片。显然在接触角 5°左右时侧视法的照片液滴轮廓已经模糊，软件无法自动准确的计算出液滴的边界，而俯视法液滴的三相接触线轮廓清晰可见。

       俯视法接触角测量仪测量范围广，尤其是接触角值极小时依然能够得到准确可靠的测量结果。在此类应用中俯视法和传统侧视法相比，有着明显的优势，是测量超亲水材料接触角的Z佳选择。

       受益于二十世纪末计算机速度的大幅提高和高分辨率数码相机的出现，使得我们对图像数据求解上述方程成为了可能。

       简单地说，在已知液体表面张力和密度的前提下，如果我们能够控制液滴的体积并且精确的测量液滴和材料表面三相接触线的形状尺寸，我们就可以利用 Laplace-Young 模型计算出液滴的三维轮廓，从而准确的得到接触角数值。

       下图为使用侧视法和俯视法对同一液滴同时测量接触角得到的结果。

注意：根据接触角不同计算模型的特点，一般来说在材料表面均一性较好的情况下，侧视法测量接触角在 0~180°范围内都可以使用，并且在 130°以上时侧视法测量结果更为可靠；俯视法测量接触角在 0~180°范围内都可以使用，并且在 10°以下时俯视法测量结果更为可靠。

        在很多应用领域会涉及到测量超亲水材料的接触角。比如液晶屏和太阳能电池板的清洗工序。清洗后有机污染物去除的越彻底，材料表面越清洁则接触角数值越小。工艺上往往要求水滴的接触角小于10°甚至更低。

        利用传统的侧视法接触角测量仪测量接触角，如果接触角低于15°，测量难度随着接触角角度的减小而急剧升高，准确性和可靠性下降；当接触角低于约5°时，几乎很难再得到有意义的结果。对于测量极低接触角，俯视测量法是一种非常可靠的测量方法。俯视测量法是通过从液滴正上方观测在固体表面上的液滴形状来获得液滴接触角的测量方法。

        侧视法和俯视法对同一液滴同时拍照得到的图片如下图所示，接触角5°左右时侧视法的液滴轮廓已经模糊，软件无法自动准确地计算出液滴的边界，而俯视法液滴的三相接触线轮廓清晰可见。

        俯视法接触角测量仪测量范围广，尤其是接触角值极小时依然能够得到准确可靠的测量结果。在此类应用中俯视法和传统侧视法相比，有着明显的优势，是测量超亲水材料接触角的JJ选择。

一、接触角仪整体分类：
现有的接触角仪主要分为如下3类：
1、量角仪：本类仪器以先进的镜头十字形量角为基础。具体到接触角分析方法上，他们均会写明是量角仪。(具体请注意英文名称的差别)。
2、标准接触角仪：本类仪器通常选用CCD＋软件系统。从分析方法上，他们已经不再停留在量高量角这样的简单的接触角分析阶段，而采用简单的曲线分析的基础上。这类仪器现在国外采用得非常普遍。但是，会受到界面化学理论假设的影响。
3、高级接触角仪：本类仪器有光学系统中力图取得高清的影像，避免受到背景噪度的影响。

二、光学成像系统与接触角仪选购
光学成像系统的好坏会直接影响到接触角软件分析。毕竟，计算机系统再先进，他与无法与人一样可以直接识别图像。因而，光学系统设计的先进性是所有的关键。
通常，我们采用放大一定倍率的镜头和CCD组成。而具体成像的效果只有看实际图片方可以清晰的了解到。但好的成像效果的标准可以为，图像背景清晰，不影响整体观察。前景有很好的成像，具体到实感 。

三、接触角主机与接触角仪选购
接触角仪的主机主要体现在整体稳定性与操作简便性。这些会涉及到调焦的准确性，整体的稳定性，主机设计与软件设计的符合性等等。
但更为关键的是，主机的设计中还有一个更重要的因素，即可测试品的外形以及可测样品的体积(长、宽、高)，上海中晨可以定制各种类型的主机。我们建议选购时一定要考虑到这个因素，否则有可以测试发现无法完成。
同时，您想完成的操作不同，主机的设计也会不同。这些必须与厂商的销售工程师确认。但如果对方工程师对一些主机设计的关键技术不了解，就说明他也不了解整体接触角仪的应用，而您可能确实需要考虑是否从他们那里采购仪器了。

（来源：上海中晨数字技术设备有限公司）