KontaktwinkelmessgerätEs ist ein Instrument zur Messung des Kontaktwinkels zwischen Flüssigkeit und Feststoff, das hauptsächlich zur Beurteilung der Eindringlichkeit von Flüssigkeit und Feststoff verwendet wird, um die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Feststoffoberfläche zu analysieren, wie die Befeuchtungsfähigkeit, die Reinigkeit, die Gleichmäßigkeit und die freie Oberflächenenergie. Es ist in den Bereichen Materialwissenschaft, Chemie, Biologie, Mikroelektronik und Beschichtungstechnik weit verbreitet.

In diesem Artikel werden die Kontaktwinkelmessgeräte in folgenden Aspekten umfassend analysiert:

Grundkonzept des Kontaktwinkels

Arbeitsprinzip des Kontaktwinkelmessers

Haupttypen von Kontaktwinkelmessgeräten

Zusammensetzung und Schlüsselkomponenten des Kontaktwinkelmessers

V. Methode zur Messung des Kontaktwinkels

6. Schritte zur Verwendung von Kontaktwinkelmessgeräten

Datenverarbeitung und Analyse

8. Hinweise und Anwendungsbereiche

Grundkonzept des Kontaktwinkels

Definition:

Der Kontaktwinkel bezieht sich auf den Gleichgewichtszustand des Tropfens auf der festen Oberfläche, an der Grenze zwischen Flüssigkeit-Feststoff, Flüssigkeit-Gas und Feststoff-Gas, der Zwischenwinkel zwischen der Tropfenkontur-Schnittlinie und der festen Oberfläche, normalerweise mit θ ausgedrückt.

Beurteilungskriterien:

θ < 90°: Flüssigkeitsprofil (Flüssigkeit befeuchtet feste Oberflächen wie Wassertropfen auf reinem Glas)

θ > 90°: Feuchtigkeit (Flüssigkeit ist nicht leicht, feste Oberflächen zu befeuchten, wie Quecksilber auf Glas)

θ ≈ 0°: Befeuchtung

θ ≈ 180°: nicht feucht (hyperhydrophob)

Anwendung:

Durch die Messung des Kontaktwinkels können Informationen wie die Feuchtigkeit, die Rauheit, die chemische Zusammensetzung und die Wirkung der Oberflächenbehandlung des Materials abgeleitet werden.

Zwei,Arbeitsprinzip des Kontaktwinkelmessers

Das Kontaktwinkelmessgerät berechnet die Formparameter des Tropfens auf der Grundlage von optischen Bildgebungsprinzipien und geometrischen/mechanischen Modellen, wodurch die Größe des Kontaktwinkels umgekehrt wird. Die grundlegenden Arbeitsabläufe sind wie folgt:

Fügen Sie Spuren von Flüssigkeitströpfchen (in der Regel 1 bis 10 μL) auf die Oberfläche der zu messenden festen Probe;

Erfassung von Tropfenbildern mit einer hochauflösenden Kamera;

Software zur Randerkennung von Bildern und zur Extraktion von Tropfenkonturen;

Berechnen Sie den Kontaktwinkel anhand eines Fitting-Algorithmus (z. B. Rundform, Elliptik, Young-Laplace-Gleichung usw.) anhand der Tropfenkontur-Kurve;

Ausgabe der Messungen und weitere Analyse von Parametern wie der Oberflächenenergie.

Haupttypen von Kontaktwinkelmessgeräten

Statisches Kontaktwinkelmessgerät: Messt den Kontaktwinkel von Tropfen im Stillstand.

Dynamische Kontaktwinkelmessgeräte: Messung der Vorwärts- und Rückwärtswinkel durch Neigung der Probentasche oder Erhöhung / Reduzierung des Tropfenvolumens zur Untersuchung der Befeuchtungsfähigkeit und der Verzögerung.

Oberflächenenergieanalysator: Berechnet die Oberflächenenergie einer festen Flüssigkeit durch die Messung der Oberflächenspannung einer Tröpfenform.

Schnittstellenfluometrische Kontaktwinkel: Kombiniert mit dynamischen Kontaktwinkeln und Schnittstellenausbreibungsfluometrischen Eigenschaften, eignet sich für die Untersuchung der Wechselwirkung von klebrigen elastischen Flüssigkeiten und der Schnittstelle.

Zusammensetzung und Schlüsselkomponenten des Kontaktwinkelmessers

Probentesch: zur Fixierung der gemessenen festen Proben, in der Regel mit horizontaler Regelung und Heizung.

Zusatzsystem: Spurenspritzpumpe oder manuelle Spritze, um das Tropfenvolumen genau zu steuern.

Bilderfassungssystem: CCD- oder CMOS-HD-Kamera mit Mikroskopiobjektiven zur Erfassung von Tropfenbildern.

Lichtquelle: bietet eine gleichmäßige, stabile Hintergrundbeleuchtung (häufig verwendete LED-kalte Lichtquelle), um den Kontrast der Tropfenkante zu verbessern.

Probenumgebungskontrollsystem (optional): Temperaturkammer, Feuchtigkeitskontrolle, Atmosphärenkontrolle usw.

Analysesoftware: für die Bildverarbeitung, die Konturextraktion, die Berechnung des Kontaktwinkels, den Datenexport und die Erstellung von Berichten.

　　
V. Methode zur Messung des Kontaktwinkels

Sessile Drop Methode (häufig verwendet)

Tropfen Sie auf eine feste flache Oberfläche und messen Sie den statischen Kontaktwinkel, nachdem sie stabilisiert ist.

Ein- oder mehrere-Tropfen-Tests (verschiedene Flüssigkeiten) können durchgeführt werden, um die Oberflächenfeuchtigkeit zu vergleichen.

Neigungsmethode (Tilting Method)

Nachdem der Tropfen stabilisiert ist, neigen Sie den Probentesch langsam ab und erfassen Sie die Änderung des Kontaktwinkels der vorderen und hinteren Kanten des Tropfens, um den Vorwärtswinkel und den Rückwärtswinkel zu erhalten.

Zur Beurteilung von Kontaktwinkelverzögerungen und Oberflächenungleichheiten.

Die Nadel-In/Out-Methode

Verwenden Sie eine Spritznadel, um Flüssigkeit einzuführen oder abzupumpen, ändern Sie das Tropfenvolumen und beobachten Sie die Winkeländerungen, wenn sich die Kontaktlinie bewegt.

Ebenso zur Messung der Vorwärts- und Rückwärtswinkel.

Anhänger-Drop-Methode (Pendant Drop Methode)

Zur Messung der Flüssigkeits-Oberflächenspannung und zur indirekten Berechnung der Oberflächenenergie von Feststoffen.

Der Kontaktwinkel wird nicht direkt gemessen, wird jedoch häufig in der Oberflächenenergieanalyse verwendet.

Die Wilhelmy Plate Methode

Berechnen Sie den Kontaktwinkel und die Oberflächenenergie, indem Sie die Kraftänderungen messen, bei denen Festplatten in eine Flüssigkeit eintauchen.

Geeignet für flexible Materialien wie Fasern und Folien.

6. Schritte zur Verwendung von Kontaktwinkelmessgeräten

Startvorwärmung: Lichtquelle, Kamerasystem und Computer einschalten und 10 bis 30 Minuten vorwärmen, um die Stabilität zu gewährleisten.

Probenvorbereitung:

Stellen Sie sicher, dass die Oberfläche der Probe sauber, glatt und frei von Verschmutzung ist.

Es kann mit Lösungsmitteln (z. B. Ethanol, Aceton) gereinigt und getrocknet werden.

Installieren Sie die Probe auf der Temperaturkonsole, um eine hohe Temperaturprüfung durchzuführen.

Kalibrierungsmittel:

Einstellen Sie das Probenstandniveau (mit einem Horizontometer oder einem in die Software integrierten Kalibrierungswerkzeug).

Fokussieren Sie das Bild, um sicherzustellen, dass die Tropfenkanten klar sind.

Tropfen und Tropfen:

Verwenden Sie Spuren Spritze Tropfen mit dem eingestellten Volumen (empfohlen 1 ~ 5 μL).

Vermeiden Sie, dass die Nadel die Oberfläche der Probe berührt.

Bilderfassung:

Warten Sie, bis der Tropfen stabil ist (normalerweise 5 bis 30 Sekunden), um ein klares Bild aufzunehmen.

Mehrere Bilder können kontinuierlich aufgenommen werden, um die Genauigkeit zu verbessern.

Berechnung des Winkels:

Die Software erkennt automatisch die Tropfenkonturen und wählt ein passendes Modell aus (z. B. rund, elliptisch, Young-Laplace).

Lesen Sie den Wert des linken und rechten Kontaktwinkels und erfassen Sie den Durchschnitt oder einzelne Aufzeichnungen.

Dynamischer Test (optional):

Neigen Sie den Probentesch oder ändern Sie das Tropfenvolumen und wiederholen Sie die oben genannten Schritte, um den Vor-/Rückwinkel zu messen.

Datenspeicherung und -analyse:

Exportieren Sie Bilder, Winkelwerte, Passkurven und andere Daten.

Statistische Analysen oder Oberflächenberechnungen durchführen.

Ausschaltung: Ausschalten der Anlage, Reinigung der Probenstange und der Injektionsnadel, Registrierung der Verwendung.

Datenverarbeitung und Analyse

Berechnungsmodell des Kontaktwinkels:

Kreispassung: geeignet für kleine Kontaktwinkel (θ < 30°) und Tropfen in der Nähe der Kugel.

Elliptische Passform: Geeignet für mittlere Kontaktwinkel (30° < θ < 120°), unter Berücksichtigung der Schwerkrafteinwirkungen.

Young-Laplace-Passform: Präzise, geeignet für große Tropfen, große Kontaktwinkel oder komplexe Formen unter Berücksichtigung der Oberflächenspannung und des Schwerkraftgleichgewichts.

Die Oberfläche kann geschätzt werden:

Mit Methoden wie Owens-Wendt, Van Oss, Zisman und anderen werden die Oberflächenenergie und deren Polarität/Diffuse durch eine Vielzahl von Flüssigkeitskontaktwinkeldaten zurückgedrückt.

Kontaktwinkelverzögerungsanalyse:

Verzögerung = Vorwärtswinkel - Rückwärtswinkel, der den Einfluss der Oberflächenrauheit, chemischer Ungleichheit oder der Adsorptionsschicht widerspiegelt.

8. Hinweise und Anwendungsbereiche

Hinweis:

Die Oberfläche der Probe muss sauber und trocken sein, um eine Verschmutzung zu vermeiden, die zu Fehlern führt.

Das Volumen der Tropfen sollte moderat sein, zu groß ist von der Schwerkraft beeinflusst und zu klein ist der Rand verschwommen.

Umgebungswibrationen, Luftströme und Temperaturschwankungen beeinflussen die Messgenauigkeit und müssen in einer stabilen Umgebung betrieben werden.

Durchschnittswerte werden mehrmals gemessen, um die Wiederholbarkeit zu erhöhen.

Die Ergebnisse der unterschiedlichen Anpassungsmethoden können erheblich variieren und ein geeignetes Modell basierend auf der Form und der Theorie der Tropfen ausgewählt werden muss.

Anwendungsbereiche:

Bewertung von Oberflächenmodifikationen (z. B. Plasmabehandlung, Beschichtungen, Nanostrukturen)

Entwicklung von hyperhydrophoben/hyperhydrophilen Materialien (z. B. Selbstreinigende Oberflächen, Nebelglas)

Kompatibilitätsanalyse von Biomaterialien (z. B. Zellhaftung, Proteinadsorption)

Öl-Wasser-Trennung, Mikroflüssigkeitsvorrichtung

Optimierung des Druck-, Beschichtungs- und Klebeprozesses

Qualitätsprüfung der Halbleiterwafer-Reinigung

Ausdehnungsforschung von Kosmetika und Arzneimitteln

Zusammenfassung

Ein Kontaktwinkelmesser ist ein hochpräzises, nicht zerstörerisches Oberflächenanalysewerkzeug, dessen Kern darin besteht, die Tropfenform optisch zu erfassen und den Kontaktwinkel in Verbindung mit mathematischen Modellen zu berechnen. Die Kenntnisse der Arbeitsweise, der richtigen Verwendung und der Datenanalyse sind für die Bewertung und Optimierung der Oberflächenleistungen von entscheidender Bedeutung. Mit dem technologischen Fortschritt haben moderne Kontaktwinkelmessgeräte Funktionen wie Automatisierung, hohe Temperatur und hoher Druck, Umweltsteuerung und andere integriert, um Ausrüstung in der wissenschaftlichen Forschung und industriellen Qualitätsprüfung zu werden.