Kontaktwinkel-/Oberflächenspannungsmesser: Vollständige Analyse vom Prinzip bis zur Anwendung

Der Kontaktwinkel und die Oberflächenspannung sind die Kernparameter der Materialoberflächenwissenschaft, die die Befeuchtungsfähigkeit von Flüssigkeiten gegenüber Feststoffen widerspiegeln, während letzteres die innere Kohärenz zwischen Flüssigkeitsmolekulen charakterisiert. Das Kontaktwinkel-/Oberflächentensiometer verwandelt mikroskopische Tropfenmorphologie in quantitative Daten mittels optischer Bildgebung und mathematischer Modellierung.

Prüfprinzip: Präzisionsquantifizierung basierend auf Schnittstellenmechanik

Young-Gleichung und Feuchtigkeitsbestimmung

Wenn ein Tropfen eine feste Oberfläche berührt, erreicht die dreiphasige Schnittstellenspannung Feststoff-Flüssigkeit-Gas ein Gleichgewicht und bildet einen Kontaktwinkel θ. Die Young-Gleichung (γ_sv = γ_sl + γ_lv cosθ) zeigt die Beziehung zwischen dem Kontaktwinkel und der freien Oberflächenenergie: θ<90° für eine hydrophile Oberfläche (wie Wasser auf einem Glas ausbreitet) und θ>90° für eine hydrophobe Oberfläche (wie Wasser auf einem Ladeblatt zusammenzieht). Diese Gleichung ist die theoretische Grundlage für die Berührungswinkelmessung.

Dynamische Berührungswinkel und Verzögerungen

Durch die Steuerung des Ausbreitungs- und Rückzugsprozesses der Tropfen können die Kontaktwinkel vorwärts (unbefeuchte Flüssigkeitsbereiche) und rückwärts (unbefeuchte Flüssigkeitsbereiche) gemessen werden. Je größer die Kontaktwinkelverzögerung ist (Δθ = θ_adv-θ_rec), desto deutlicher ist die Oberflächenrauheit oder chemische Ungleichheit. Zum Beispiel ist der Verzögerungswinkel einer hyperhydrophoben Oberfläche (θ > 150 °) in der Regel kleiner als 5 °, während der Verzögerungswinkel einer rauen Metalloberfläche mehr als 30 ° erreichen kann.

Methode zur Messung der Oberflächenspannung

Suspensionsmethode: Berechnung der Oberflächenspannung in Kombination mit der Young-Laplace-Gleichung durch Analyse der geometrischen Parameter des Tropfenkonturs (z. B. Durchmesserverhältnis D/d). Diese Methode eignet sich für hochtemperaturgeschmolzene Metalle oder korrosive Flüssigkeiten.

Platin-Plattenmethode: Die sandgestrahlte Platin-Platte wird in eine Flüssigkeit eingetaucht und die Oberflächenspannung wird durch Eintauchtiefe umgewandelt, wenn die Oberflächenspannung im Gleichgewicht mit der Gegenkraft des Instruments ist. Die Prüfung von destilliertem Wasser kann innerhalb von 5 Sekunden mit einer Genauigkeit von ± 0,1 mN/m durchgeführt werden.

Testprozess: Standardisierter Prozess von der Probenvorbereitung bis zur Datenanalyse

Probenvorbereitung und Vorbehandlung

Blöckenförmige / dünne Folienprobe: Die Größe muss größer als 2cm x 2cm sein, und der Oberflächengebenenheitsfehler ≤5μm. Bei gebogenen Oberflächen (z. B. Fasern) ist die 3D-Kontaktwinkelprüfung erforderlich.

Pulverprobe: Verwenden Sie eine Infrarot-Tablettenpresse, um in Stücke mit einer Dicke von ≥1mm zu drucken. Wenn die Probe an der Form haftet, können Sie das Wagepapier auf die Oberflächenpasse hinzufügen.

Flüssigkeitsproben: Oberflächenspannungstests benötigen ≥1mL, Reinheit ≥99,9% (z. B. Sekundärdestilliertes Wasser).

Datenerfassung und -anpassung

Statischer Kontaktwinkel: Verwenden Sie die Young-Laplace-Fitting-Methode (Genauigkeit ±0,5°) oder die Schnittmethode (geeignet für θ<120°). Für nicht axial symmetrische Tropfen (z. B. die Differenz zwischen dem linken und rechten Kontaktwinkel > 10°) ist der ADSA-RealDrop-Algorithmus erforderlich.

Dynamischer Berührungswinkel: Messung des Rollwinkels über einen Schrägtisch (0-90°) oder Steuerung der Volumenänderung der Tropfen (0,1-10 μL/s), um den Vor-/Rückwinkel zu erfassen.

Berechnung der freien Oberflächenenergie: Auf der Grundlage des Owens-Wendt-Modells (für polare/nicht-polare Oberflächen) oder des Fowkes-Modells (für Oberflächen mit niedriger Energie) werden die Kontaktwinkel von Flüssigkeiten mit mindestens drei bekannten Oberflächenspannungen (z. B. Wasser, ****, Ethanol) gemessen.