趙金+張錦+蔣世磊+馬富華+王文靜+高占權

摘要： 紹了一種用于測量表面接觸角的簡易裝置，目的是為材料表面的潤濕性實驗研究過程提供一種簡易專用裝置和方法，替代昂貴的專用測量儀器，用于快速評估被測樣品表面的接觸角。裝置由樣品臺、光學系統(tǒng)、三維平移臺、移液器和計算機組成，對被測樣品表面具有一定體積的液滴通過光學系統(tǒng)成像，并將CCD相機與計算機相結合，對液滴形態(tài)圖像進行存儲和分析，從而得到被測樣品的表面接觸角。對裝置的結構、功能和使用方法進行了介紹。

關鍵詞：

接觸角測量； 接觸角測量裝置； 表面接觸角

中圖分類號： O 435文獻標志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2017.06.012

Abstract：

A simple device for the surface contact angle measurement is introduced to provide an alternative setup and method，replace expensive special measuring instrument，and realize rapid evaluation of the surface contact angle during experimental studies on the surface wettability.The device consists of a sample platform，an optical system，a threedimensional translational stage，adjustable volume pipettes，and a computer.A liquid droplet with a certain volume on the tested sample surface is imaged by the CCD camera in the optical system，and the computer software is used to analyze the image and to obtain the contact angle of the tested sample surface.The device structure，function and use are presented.

Keywords：

contact angle measurement； contact angle measurement setup； surface contact angle

引言

微納結構制造技術的發(fā)展，使得人們對人工自清潔表面技術的研究投入了越來越多的注意力，在化學、生物、光學、材料等多個學科領域，自清潔技術的研究都有顯著進展[14]，各種新材料、新膜層、新涂料應運而生。在研究制作自清潔表面結構的過程中，需要對實驗樣品表面的接觸角多次甚至頻繁地進行測量。

接觸角是表征液體在固體表面潤濕性的重要參數(shù)。隨著新材料的不斷涌現(xiàn)，對其表面接觸角進行測量成為了解其潤濕特性必不可少的手段之一。目前測量表面接觸角的專用測量儀器，針對不同的應用需求，功能已經(jīng)得到很全面的開發(fā)[5]。國際市場上已出現(xiàn)了高溫高真空度接觸角測量儀[6]，不僅能在高溫高真空度或稀有氣體保護環(huán)境下測量熔融金屬的接觸角和表面張力，還能通過更換光源位置并安裝注射系統(tǒng)來實現(xiàn)室溫下接觸角、表面張力等的測量，可廣泛應用于航空航天材料、冶金工業(yè)、焊接材料等研究領域。另外市場上還出現(xiàn)了一種可測量曲面樣品的手持式接觸角表面能測量儀[7]，可全自動完成兩種不同液體的滴定，同時獲得所有接觸角的相關參數(shù)，全自動計算固體基材的表面自由能及能量分量的組成，適用于各種復雜樣品和測量環(huán)境，不只適合測量普通平面，對于垂直側面、天花板及曲面樣品都可以進行測量。

目前市場上已有的專用測量儀器功能齊全，但是價格不菲。在實驗研究的過程中，除了昂貴的、功能齊全的專用測量設備外，一些專用的簡易的測量裝置也是必需的，以方便在低成本條件下對材料表面的接觸角進行快速評估，為實驗過程中快速準確地調(diào)整工藝參數(shù)提供參考依據(jù)。

本文介紹課題組自行設計和搭建的一套表面接觸角測量裝置，對該裝置的結構及關鍵元器件的參數(shù)進行了詳細說明。

1基本概念

液體在固體表面的接觸角反映了液體在固體表面的潤濕性。液體的潤濕性通常是指其在固體表面鋪展或聚集的能力。如圖1所示，接觸角θ定義為固、液、氣三相的交界點處固液界面與液氣界面切線

之間的夾角[8]。接觸角是潤濕程度的量度，也是固體表面非常重要的性質(zhì)之一。當液滴在固體表面處于平衡狀態(tài)時，接觸角與各界面張力之間的關系可由楊氏方程[9]表示：

cos θ=（σsg-σsl）/σlg

（1）

式中σsg、σsl和σlg分別為固氣、固液和液氣間的界面張力，θ為固、液、氣三相平衡時的接觸角。若θ<90°，通常認為固體表面是親水性的，即液體較易潤濕固體，其角度越小，表明液體對固體的潤濕程度越高；若θ>90°，則認為固體表面是疏水性的，即液體不容易潤濕固體。

目前接觸角的測量方法大致可分為三類[1013]：量角法、測高法和測重法。本裝置是利用量角法對接觸角進行測量，即直接觀測固體表面平衡液滴的外形，從三相交界點處人為地作氣液界面切線，根據(jù)接觸角定義進行測量。

2裝置的組成和功能

表面接觸角的簡易測量裝置主要由樣品臺、光學系統(tǒng)、光學系統(tǒng)支撐底座、移液器和計算機組成。樣品臺用于放置和固定被測樣品，并可通過樣品臺底座上的運動機構組件移動被測樣品，在需要的情況下也可調(diào)整樣品臺的傾角，使液滴在樣品表面滾動或滑動。光學系統(tǒng)對被測樣品及液滴成像，并通過CCD相機記錄和存儲，方便進行后續(xù)的分析和處理。被測樣品表面的液滴由一個手持式移液器定量供給。樣品臺和光學系統(tǒng)支撐底座均可作多維運動，方便調(diào)整光學成像系統(tǒng)和被測目標之間的相對位置。裝置的功能框圖如圖2所示。endprint

3關鍵組件

3.1光學系統(tǒng)

光學系統(tǒng)由一個成像物鏡和一個CCD相機組成。物鏡的放大倍率為0.7～1。光學系統(tǒng)如圖3所示。

因為需要讓被測樣品表面的液滴隨著樣品臺的傾斜而逐漸產(chǎn)生黏滯變形或滾動，所以要求相機的幀率在10幀/s以上，相機的主要參數(shù)見表1。

3.2樣品臺

樣品臺除了可以放置被測樣品外，還應能進行傾斜和水平移動。當用手持式移液器將液滴滴落在被測樣品表面時，液滴在樣品表面的位置是可以隨意選取的。樣品臺在水平面內(nèi)垂直于光軸方向的移動，可將樣品表面的液滴初步調(diào)整至光學系統(tǒng)視場的中央，方便光學系統(tǒng)對液滴進一步調(diào)焦。樣品臺繞光軸方向的旋轉能使樣品傾斜一定角度，令位于樣品表面的液滴發(fā)生滾動或者黏滯變形，方便進行動態(tài)觀測和測量。

選用光機元件市場上常見的旋轉臺和一維平移臺實現(xiàn)傾斜和平移的基本功能，通過一個直角彎板將旋轉臺和平移臺連接組合在一起。圖4為樣品臺的結構示意圖。

為了使液滴在樣品臺旋轉傾斜時不會因為樣品臺旋轉一個小角度而使液滴圖像跑出視場以致CCD相機難以捕捉，安裝時需要仔細調(diào)整直角彎板與旋轉臺之間的相對位置，對于較厚的被測樣品，調(diào)整時還應考慮樣品的厚度。對于靜態(tài)接觸角的測量，調(diào)整時僅需注意保證臺面處于水平狀態(tài)，結合使用光學系統(tǒng)支撐底座的三維平移功能即可。

3.3移液器

移液器的選取需要考慮測量時需要滴落的液體的體積大小。

當液滴的體積很小時，可忽略地球引力對其形狀的影響，基片表面的液滴可近似為球體的一部分，如圖5所示。根據(jù)圖中的幾何關系可以得出接觸角與球缺幾何參數(shù)之間的關系為[14]

θ=2arctan2hD

（2）

式中：θ為液滴接觸角；h為液滴球缺高度；D為液滴球缺底端圓的直徑。不論θ>90°還是θ<90°，式（2）都成立。

液滴球缺的體積與球缺底端圓半徑和球缺高度之間的關系為

V=πh（3r2+h2）6

（3）

式中：V為液滴球缺體積；r為液滴球缺底端圓半徑；h為液滴球缺高度。

當液滴體積達到一等程度時，由于地心引力、表面張力等力的綜合作用，液滴的形狀會遠遠偏離球體，達到新的平衡狀態(tài)。液滴在樣品表面上處于靜態(tài)時的形狀，與液滴的體積和樣品材料本身的潤濕性有關。

考慮到液滴形狀的復雜性，即使液滴形狀為球缺時，其大?。ㄇ蛉备叨群偷撞恐睆剑┮蚴鼙粶y表面疏水性或親水性的影響，對不同的材料來說也是有差別的，因此，為了方便估算移液器和CCD器件的參數(shù)，可先把液滴近似為球體，再結合考慮通常情況下液滴在親水表面鋪展開的程度，以此判斷所選器件參數(shù)是否合理。

根據(jù)球體的體積公式，可以得出液滴大小隨液滴體積的變化規(guī)律，

V=4πR33

（4）

式中：V為液滴的體積；R為液滴的球面半徑。表2列出了不同的液滴體積對應的液滴直徑大小。圖6為液滴直徑與體積之間的關系曲線。

在滿足測量所需液滴體積的條件下，還應考慮移液器規(guī)格、記錄圖像的尺寸等與所選用的CCD靶面尺寸是否相互匹配。為了以較低的成本搭建測量裝置，當選用的CCD靶面尺寸過小時，容易出現(xiàn)液滴圖像大小超出CCD靶面范圍的現(xiàn)象，這是必須要避免的。

裝置選用的CCD靶面尺寸為1/2 inch（1 inch=2.54 cm），即6.4 mm×4.8 mm，對角線為8 mm。若使液滴成像在靶面中央又不充滿整個畫面，考慮到非疏水表面液體的鋪展程度，選用移液器規(guī)格為0.5

Symbol～A@ 10 μL，能滿足使用要求。

4裝置結構及使用方法

裝置由樣品臺、光學系統(tǒng)、三維平移臺、移液器和計算機組成，這些組件通過一個大的直角彎板連接構成一個整體。圖7所示為表面接觸角測量裝置的詳細結構。

1—直角彎板底座；2—旋轉臺；3—一維平移臺；4—移液器；5—成像物鏡；6—三維平移臺；7—CCD相機；8—計算機；9—被測樣品及液滴使用時，被測樣品放在樣品臺上，用手持式移液器將液體滴落在被測樣品表面，調(diào)節(jié)樣品臺底部的一維平移臺，或者調(diào)節(jié)與光學鏡頭相連接的三維平移臺，使液滴成像在CCD相機的靶面中央。調(diào)整成像物鏡獲得液滴清晰完整的靜態(tài)圖像。進一步使旋轉臺轉動一定角度，帶動一維平移臺傾斜，使一維平移臺上樣品表面的液滴發(fā)生黏滯變形直至滾動，利用CCD相機實時拍攝液滴形態(tài)的變化過程，提供給計算機進行圖像分析和數(shù)據(jù)處理。

5部分實驗結果

圖8和圖9分別為利用裝置測量兩種不同材料表面接觸角的實驗結果。實驗中擬測量的液體為水，液滴體積均為10 μL。由于CCD相機和光學成像系統(tǒng)均有一定的視場角，因此在測量過程中，應仔細調(diào)整被測樣品和成像系統(tǒng)之間的相對高度，確保以平視的方式進行拍攝。利用相機拍攝的液滴形狀圖像，可采用多種方法確定表面接觸角。

對于液滴體積非常小、液滴形狀接近球缺的情況，可采用測高法，測量球缺的高度和底端圓直徑，根據(jù)圖5和式（2）所示接觸角與球缺高度和底端圓直徑的關系計算表面接觸角。

更普遍的情況是，液滴在樣品表面上處于靜態(tài)時的形狀隨液滴體積大小和樣品材料本身潤濕性的不同有很大差異，會明顯偏離球體形狀。這種情況下，可以采用量角法，從固液氣三相交界處分別引出固液界面與液氣界面的切線，測量這兩個關鍵切線之間的夾角，獲得接觸角的值。該方法不需考慮整個液滴的輪廓形狀[15]，不但可用于表面為球面的液滴，也可用于表面為非球面的液滴甚至軸不對稱的液滴，適用范圍不受液滴形狀的限制。

圖8和圖9所示為采用量角法得到的實驗結果。在實驗中使用CCD相機自帶的功能軟件，從三相交界點處人為地引出界面切線，利用相機軟件自帶的測角功能，即可得出接觸角大小。圖8為普通窗玻璃材料表面的實驗結果，圖9是對拋光后的硅片表面進行測量的結果。這兩種被測樣品的接觸角分別為46.3°和35.4°，均遠小于90°，表明窗玻璃和拋光硅片表面均為非疏水表面。endprint

6結論

設計的用于測量表面接觸角的簡易裝置，能夠滿足實驗過程中快速評估材料表面接觸角的需求。對于高精度測量的需求，除了光機系統(tǒng)外，還需要依靠多功能專業(yè)軟件進行表面形狀的分析和相關計算等，許多高級專業(yè)測量儀已在此方向上有很大發(fā)展。本裝置相比于市場上已有的成熟的產(chǎn)品和設備，具有成本低、針對性強、易于組裝的特點，在對測量精度要求不高的情況下，作為昂貴的專用測量設備的替代裝置，可滿足實驗過程中快速獲知材料表面接觸角的需求，既可用于對新材料未知本征接觸角的測量，也可用于測量光學、化學等新方法制作的新型自清潔表面的接觸角，為實驗研究過程提供了一種檢測手段。

參考文獻：

[1]MALSHE A，RAJURKAR K，SAMANT A，et al.Bioinspired functional surfaces for advanced applications[J].CIRP AnnalsManufacturing Technology，2013，62（2）：607628.

[2]WANG Z B，ZHANG J，HANG L X，et al.Nanoscale structures for implementation of antireflection and selfcleaning functions[J].International Journal of Nanomanufacturing，2013，9（5/6）：520531.

[3]路曉，管自生.自清潔仿生表面的濕潤性及其制備的進展[J].材料導報，2006，20（6）：6366.

[4]段輝，熊征蓉，汪厚植，等.超疏水性涂層的研究進展[J].化學工業(yè)與工程，2006，23（1）：8187.

[5]丁曉峰，陳沛智，管蓉.接觸角測量技術的應用[J].分析實驗室，2008，27（S1）：7275.

[6]OCA 25HTV 1800[EB/OL].[20161011].http：∥www.dataphysics.de/2/start/products/contactanglemeasuringandcontouranalysissystems/ocaspecialmodels/oca25htv1800/.

[7]Mobile Surface AnalyzerMSA[EB/OL].[20161011].https：∥www.kruss.de/products/contactangle/mobilesurfaceanalyzermsa/.

[8]黃平，郭丹，溫詩鑄.界面力學[M].北京：清華大學出版社，2013.

[9]夏海濤.物理化學[M].北京：化學工業(yè)出版社，2015.

[10]GOMES D J C，DE SOUZA N C，SILVA J R.Using a monocular optical microscope to assemble a wetting contact angle analyser[J].Measurement，2013，46（9）：36233627.

[11]臧紅霞.接觸角的測量方法與發(fā)展[J].福建分析測試，2006，15（2）：4748.

[12]丁曉峰，管蓉，陳沛智.接觸角測量技術的最新進展[J].理化檢驗：物理分冊，2008，44（2）：8489.

[13]張世舉，程延海，邢方方，等.接觸角與表面自由能的研究現(xiàn)狀與展望[J].煤礦機械，2011，32（10）：810.

[14]杜文琴，巫瑩柱.接觸角測量的量高法和量角法的比較[J].紡織學報，2007，28（7）：2932.

[15]陳玲玉.多孔介質(zhì)內(nèi)氣水兩相滲流特性模擬研究[D].大連：大連理工大學，2014.

（編輯：張磊）endprint