最新接觸角測試

1、精品文檔材料是人類生產(chǎn)和生活水平提高的物質(zhì)基礎(chǔ)， 是人類文明的重要支柱和文明 進(jìn)步的重要里程碑。材料科學(xué)的發(fā)展推動社會發(fā)展，而材料科學(xué)的進(jìn)步又取決于 社會生產(chǎn)力和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步。計(jì)算機(jī)作為一種先進(jìn)的現(xiàn)代工具，在日常生活當(dāng) 中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，計(jì)算機(jī)應(yīng)用已廣泛深入科學(xué)、技術(shù)、社會生活等各 個領(lǐng)域。當(dāng)今世界，幾乎所有專業(yè)都與計(jì)算機(jī)息息相關(guān)。 計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中應(yīng) 用也不斷發(fā)展，其作用是明顯的。比如顯微鏡的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)用于新材料 的設(shè)計(jì)、材料加工當(dāng)中的計(jì)算機(jī)自動化控制，等等這些先進(jìn)手段大大方便材料科 學(xué)研究。許多大學(xué)的材料科學(xué)系早已經(jīng)將 計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用 列為學(xué) 科基礎(chǔ)課程。接觸

2、角是材料表面潤濕性能的重要參數(shù)之一。 通過接觸角的測量可以獲得材 料表面固-液、固-氣界面相互作用的許多信息。因此，接觸角的測量在材料防護(hù)、 醫(yī)藥、半導(dǎo)體、化妝品、生命科學(xué)、油墨工業(yè)及其他領(lǐng)域都有重要應(yīng)用。表面自 由能及其極性色散力分量（非極性分量）是固體表面最基本的熱力學(xué)性質(zhì)之一。 諸多表面現(xiàn)象以及與表面性質(zhì)有關(guān)的各向異性、 潤濕性、粘結(jié)性、吸附性等效應(yīng) 均與之密切相關(guān)。接觸角和表面能的測量和計(jì)算方法有多種， 而且還在不斷的發(fā)展完善，這些 方法各有其使用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)，沒有一種技術(shù)能夠測量所有固體表面的接觸角0 在實(shí)際的操作中應(yīng)該根據(jù)具體情況， 選擇適合的測量方法。接觸角數(shù)據(jù)應(yīng)該與其 他的表面

3、分析技術(shù)相結(jié)合，今后將朝著高精確度、多功能化和在線分析的方向發(fā) 展。目前國內(nèi)外對材料表面接觸角的測量技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。復(fù)雜至大型的計(jì)算量大的精密測量軟件，簡單至基本代碼寫制的計(jì)算儀；貴至幾十萬，而便宜至簡 單的基本代碼寫制的測量軟件，對各種先進(jìn)的儀器測量的出的數(shù)據(jù)能夠滿足不同 的接觸角與表面能的測量和計(jì)算需求。精品文檔精品文檔2接觸角與表面能2.1理論背景液體與固體接觸時的潤濕情況有兩種。第一種情況，液體完全潤濕固體表面,即液-氣（l-g）界面與固-液（s-l）界面之間的接觸角為0 ；第二種情況，液體 部分潤濕固體表面，即液體在固體表面形成液滴，呈現(xiàn)非零接觸角。如圖1所示, 對于此種情況的宏觀

4、液滴,三相界面張力滿足 Young s方程：l g coses g s l式中-界面張力，下標(biāo)l, g和s分別代表液相、氣相和固相;8 接觸角o在學(xué)術(shù)上普遍認(rèn)可的接觸角定義是：過三相接觸點(diǎn)，向l-g界面做切線，l-g 界面切線與s-l界面之間的夾角，即為接觸角。ee777777777777圖1固體表面上的液滴在氣相環(huán)境中，液滴在完美固體表面的情況可有Youngs方程可知:SV SL LV 在氣相環(huán)境中，液滴在完美固體表面的情況可有Youngs方程可知:SV SL LV cos。(1)根據(jù)表面化學(xué)理論，固-液界面張力可由下式計(jì)算:0S是固體在真空中的比SVoSL LV 02、LV 0S是固體在真

5、空中的比SVo其中，d和p分別是表面能的色散分量和極性分量;0表面能，對于像炸彈這樣的低表面能的有機(jī)分子有S精品文檔精品文檔把（2）代入（1）可得：LV 1 C0s2 S； LV 2 P/（3）d P顯然，如果能找到兩種已知 S和LV的液體，并測出它們在固體表面的接觸角，那么就可以計(jì)算出固體表面的比表面自由能。上述公式是接觸角和表面能的基本計(jì)算公式及計(jì)算機(jī)計(jì)算表面能的理論依2.2常用接觸角的測量方法接觸角測量方法可以按不同的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類。按照直接測量物理量的不同， 可分為量角法、測力法、長度法和透過法。按照測量時三相接觸線的移動速率， 可分為靜態(tài)接觸角、動態(tài)接觸角（又分為前進(jìn)接觸角和后退接觸角

6、） 和低速動態(tài) 接觸角。按照測試原理又可分為靜止或固定液滴法、Wilhemly板法、捕獲氣泡法、毛細(xì)管上升法和斜板法。1量角法這種方法的本質(zhì)是直接或間接地量取接觸角的大小。它是應(yīng)用最廣，也是最直觀、最直接的測量方法。具體的做法又有多種，主要由投影法、攝影法、顯微 角法、斜板法和光點(diǎn)反射法。量角法的突出缺點(diǎn)是一般需要做切線， 測量結(jié)果往往受到操作者的影響，重 現(xiàn)性差，誤差較大。2長度法長度法是通過相關(guān)的長度參數(shù)，利用接觸角和這些參數(shù)的關(guān)聯(lián)方程， 求解出 接觸角，這就避免了做切線的困難：當(dāng)液滴足夠小時，重力可以忽略，液滴是最理想的球冠形，如圖 2所示。測 量在固體平面上小液滴的高度（h）和寬度（2

7、r）,根據(jù)：sin0（i）(2)2hrsin0（i）(2)2-2h retan 一2精品文檔精品文檔式中r-球形液滴底面圓的半徑h一液滴的高度圖2球形液滴剖面圖因此，通過測量h和2r,就可以根據(jù)上式計(jì)算出接觸角。由式（2）表達(dá)式, 這種方法又叫8 /2法。在實(shí)際操作中，對于空氣中的液滴，要保證接觸角的測量 誤差范圍在土 0.1 ,其底面直徑應(yīng)該在 25mm。液滴的直徑不能 2mm , 是為了避免尺寸效應(yīng)的影響。目前，美國 FTA公司推出FTA100系列產(chǎn)品、德 國Dataphysics公司推出的OCA系列視頻光學(xué)接觸角測量儀以及 PCA系列便攜 式/在線接觸角測量儀、ACA系列全自動視頻接觸角

8、測量儀以及 SVT系列視頻接 觸角測量儀（超低界面張力儀）均基于該原理。長度法由于不需要做切線，測量結(jié)果受操作者的影響比量角法小。 但長度法 在推導(dǎo)接觸角與長度參數(shù)的關(guān)聯(lián)方程時， 往往有一些假設(shè)條件。實(shí)際測量中又不 能滿足這些條件，如液滴的體積不是球形的一部分， 或液滴在粗糙表面、多相表 面的接觸角并不是軸對稱的，此時用長度法測量接觸角就會給測量結(jié)果帶來誤 差。4接觸角的測量首先雙擊進(jìn)入“接觸角測量系統(tǒng)”（如圖3）,點(diǎn)擊“測量接觸角”進(jìn)入接觸 角測量界面：精品文檔精品文檔歡迎使用接觸總測量系統(tǒng)精品文檔歡迎使用接觸總測量系統(tǒng)圖3測量系統(tǒng)當(dāng)有接入接觸角測量儀端口信號的時候，系統(tǒng)會自動讀取輸入設(shè)備信

9、息并且 在接觸角測量系統(tǒng)的“設(shè)備名稱” 一欄顯示所接入設(shè)備的名稱，并進(jìn)入接觸角測 量界面（如圖4）。圖4圖4接觸角測量系統(tǒng)接觸角值的測量精品文檔精品文檔圖像的獲取圖像的獲取和載入是圖像處理的首要步驟， 應(yīng)該根據(jù)圖像的要求的不同而載 入不同格式的圖像文件。例如，若對圖像進(jìn)行像素操作，則應(yīng)載入BMP格式的圖像文件，這是因?yàn)锽MP是Windows使用的一種標(biāo)準(zhǔn)格式，BMP文件通常不 壓縮。表面能軟件測試儀除了通過外接攝像設(shè)備獲取實(shí)時圖像之外， 還可以通過手 動載入事先通過設(shè)備拍攝好要準(zhǔn)備測量其接觸角或表面能的圖像（如圖5）,也就是說表面能軟件測試儀也具備一定的圖像處理和測量的功能。圖5接觸角的測量圖

10、像的二值化隨著圖像處理技術(shù)的廣泛應(yīng)用和處理精度的不斷提高， 圖像分割顯得更為重 要，而圖像的二值化處理是最關(guān)鍵的技術(shù)之一。圖像的二值化處理技術(shù)在圖像分 析、自動識別、文字增強(qiáng)以及OCR等圖像的處理中都具有廣泛的應(yīng)用。一般情況下，獲取的圖像都是多灰度級圖像（彩色圖像可處理成灰度圖像）精品文檔精品文檔不同的圖像具有不同的灰度分布。 圖像二值化是指通過設(shè)定某個閾值 T,并以閾 值T為門限，把多灰度級圖像的像素一分為二，即分為大于閾值T的像素和小于閾值T的像素集兩部分。這樣，多灰度級圖像就轉(zhuǎn)換成只有兩種灰度級（黑 白圖像）的圖像，亦即把圖像的特征部分和背景分離開。然后才可以對圖像進(jìn)行 分析、計(jì)算和識別

11、。下面是運(yùn)用GDI+的Image和B讓map類以及SetPixel、GetPixel 方法實(shí)現(xiàn)的圖像二值化處理獲得的圖像，選取不同的閾值T處理的結(jié)果也不同，圖像比較如圖6所示。圖6不同閾值處理的結(jié)果圖7表面能軟件二值化處理前后的圖像對比數(shù)據(jù)的處理和儲存（1）表面能測試儀的控件功能：“測量接觸角”：此功能是當(dāng)點(diǎn)擊按鈕之后，會彈出一個已經(jīng)載入目標(biāo)圖片 的窗口，在窗口中我們可以按量角法的9 /2法的計(jì)算公式在圖像的固液氣三相界 面上選取三點(diǎn)，通過程序中的公式計(jì)算得出接觸角的值（如圖 5）,儲存在數(shù)據(jù) 載體控件Datagridview中精品文檔精品文檔“刪除數(shù)據(jù)”：用于刪除Datagridview中認(rèn)

12、為操作計(jì)算導(dǎo)致誤差較大的數(shù)據(jù)， 點(diǎn)擊一次刪除控件中最后面的一組數(shù)據(jù)，缺點(diǎn)是只能逐個并且只能刪除最后面的 一組數(shù)據(jù)，不能做任意的刪除?！岸祷保汗δ苁窃趫D像的載體控件 PicCapture上有圖像時，為了使圖像 更加清晰更利于測量時做的圖片處理手段，把圖像邊緣化和黑白化?！岸祷撝悼刂啤本褪菍D像進(jìn)行操作所加的對比參數(shù)，但對于黑白對比已經(jīng)很明顯的圖像建議不必使用做此步驟?！拜d入圖像”：在已有圖像的情況沒有外接視頻采集設(shè)備情況下，為了測量 物質(zhì)的接觸角和計(jì)算表面能，通過此控件打開目標(biāo)文件載入圖像以實(shí)現(xiàn)圖像的載 入?！胺祷厣霞墶保悍祷氐街鞯顷懡缑?。(2)數(shù)據(jù)儲存控件Datagridview的右鍵

13、操作：當(dāng)控件中已儲存測量數(shù)據(jù)時，我們可以通過點(diǎn)擊“刪除數(shù)據(jù)”對最后一組不 滿意的數(shù)據(jù)采取刪除的操作，但是對Datagridview內(nèi)任意一組的數(shù)據(jù)采取刪除和 篩選的時候這一功能已不再適用?！皠h除此行”：單擊鼠標(biāo)左鍵選中想要刪除的行，選中的時候行會變成藍(lán)色 顯示，再點(diǎn)鼠標(biāo)右鍵，點(diǎn)菜單欄“刪除此行”操作，這一行的數(shù)據(jù)就會被消除。 控件內(nèi)的數(shù)據(jù)會自動按順序重新排列并且上升一行?！皠h除選中”：控件內(nèi)有多于一行的需要刪除的誤差數(shù)據(jù)，按住“ Ctrl”鍵不 放執(zhí)行多選操作，點(diǎn)擊右鍵菜單欄“刪除選中”項(xiàng)，選中的多行數(shù)據(jù)立即清除。 控件內(nèi)的數(shù)據(jù)會自動按順序重新排列。(3)數(shù)據(jù)的儲存接觸角的測量的默認(rèn)操作次數(shù)是

14、 6次，最后取6次測量結(jié)果的平均值作為參 數(shù)。當(dāng)測量次數(shù)已達(dá)6次并且對數(shù)據(jù)采取刪除和篩選的操作之后，計(jì)算出平均值。 點(diǎn)擊“保存數(shù)據(jù)”，有以下兩種效果。1被測試的物質(zhì)在接觸角測量系統(tǒng)的截圖就會被保存到默認(rèn)路徑中， 一般程 序默認(rèn)在d盤中保存，建立新的文件夾，并有提示路徑和以圖片的方式保存。 路 徑為 接觸角測量實(shí)驗(yàn) 年_月_日”樣品名稱：xxx” “接觸角值：xxx”“.jpg”。2在數(shù)據(jù)儲存控件Datagridview中的數(shù)據(jù)被記錄并提示以文本的方式進(jìn)行精品文檔精品文檔保存。路徑為接觸角測量實(shí)驗(yàn) 年_月_日（接觸角）”.txt”?！巴顺鰷y量”：退出接觸角測量系統(tǒng)，程序退出。“更換樣品”：清空控

15、件Datagridview內(nèi)所有數(shù)據(jù)和“樣品名稱”接觸角測量的量高法和量角法的比較為了準(zhǔn)確說明量高法與量角法的區(qū)別和特點(diǎn)，下面舉例一組實(shí)驗(yàn)來說明差 距。圖8為在室溫下水滴自然下滴到載物上所成的像，測量和成像儀器為 HARKE-SPCAX視頻全自動接觸角測量儀，它是一種用于測量固體的接觸角、 潤濕性和懸滴表面張力、自動，快速地樣品分析，高速動態(tài)圖象捕捉，測量精度 比較高。圖x上已繪出接觸角并標(biāo)注該值為 44.4。表面能接觸角測量儀中設(shè)計(jì)了量角法和量高法兩種測量方法，表1中為在同樣條件和溫度下所測量得到的兩組接觸角值的比較。圖8待測試水滴試樣精品文檔精品文檔表1量角法與量高法測量的接觸角的值序號量

16、角法Bit力差量高法Bit力差145.100.380.144444.976260.260.065669243.50-1.221.488444.54282-0.180.031393346.401.682.822444.64408-0.080.005764445.000.280.078444.32661-0.390.154756545.300.580.336444.815230.100.009069642.40-2.325.382445.003270.280.080242744.40-0.320.102444.29294-0.430.18238844.20-0.520.270445.005690.

17、290.081619947.102.385.664444.47266-0.250.0611771043.20-1.522.310444.847790.130.016331144.40-0.320.102444.71483-0.012.67E-051243.80-0.920.846445.057580.340.113961346.301.582.496444.94120.220.0489291442.60-2.124.494444.65138-0.070.0047091544.900.180.032444.44322-0.280.0766071646.101.381.904445.099710.

18、380.144181745.700.980.960444.73180.010.0001391846.802.084.326445.011360.290.0848911943.50-1.221.488444.61889-0.100.0102232043.70-1.021.040444.891350.170.029361平均值44.720.001.8144.7544340.000.006通過上表的數(shù)據(jù)對比可以得出: (1)同時采用量高法和量角法測量時，量高法和標(biāo)準(zhǔn)值的差別較小，更接近標(biāo)準(zhǔn)精品文檔精品文檔值。(2)采用量高法更準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)更接近標(biāo)準(zhǔn)值，量角法的誤差比量高法的誤差大。(3)在更多人為操作

19、下，采用量高法減小誤差。5表面能的測量在前面的“理論背景”中我們提到表面能的計(jì)算是以接觸角的值為基礎(chǔ)的， 所以表面能的計(jì)算是以接觸角的測量值為前提的。接觸角法是最方便、應(yīng)用最廣泛的表征固體表面的標(biāo)準(zhǔn)方法之一， 從接觸角 可以推導(dǎo)出一系列有關(guān)的表(界)面關(guān)系。將液體置于固體表面上，其平衡形狀 取決于固體表面能、液體表面能以及固、液界面能之間的平衡關(guān)系，達(dá)到平衡時 總界面能最小。此時，液相表面與固相表面的接觸界面處，形成相對的面問角， 稱之為接觸角。接觸角的定義為固、液、氣三相界面處，氣液相界面與固液相界 面之間的夾角。接觸角的現(xiàn)象非常復(fù)雜，如何理解它的形成一定程度上還有爭論。 接觸角的重要性在于：一方面它在與表面潤濕有關(guān)的技術(shù)問題以及環(huán)境和生物現(xiàn) 象中有重要作用；另一方面它也是有關(guān)固液表面上表面張力的表現(xiàn)。5,1界面功能介紹圖9表面能測量界面精品文檔精品文檔