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用座滴法測量動態(tài)接觸角有二種基本的方法:
1) 加液/減液法
就是在形成液滴后,再繼續(xù)以很低的速度往液滴加入液體,使其體積不斷增大。開始時,液滴與固體表面的接觸面積并不發(fā)生變化,但接觸角漸漸增大。當(dāng)液滴的體積增大到某一臨街值時,液滴在固體表面的三相接觸線發(fā)生往外移動,而在發(fā)生移動前瞬間的接觸角,被稱為前進(jìn)角。在此之后,接觸角基本保持不變。
反之如果從一形成的液滴不斷地以很低的速度把液體移走,使其體積減小。開始時,液滴與固體表面的接觸面積也并不發(fā)生變化,但接觸角漸漸減小。當(dāng)液滴的體積減小到一定值時,液滴在固體表面的固/液/氣三相接觸線開始往里移動。在發(fā)生這一移動前夕的接觸角,就是后退角。在此之后,接觸角也應(yīng)基本保持不變。
1) 加液/減液法測量前進(jìn)/后退接觸角
在運(yùn)用這一方法時,必須注意以下幾點(diǎn):
體積變化的速度應(yīng)足夠低,盡量液滴在整個過程有足夠的時間來松弛,使得測量能在準(zhǔn)平衡下進(jìn)行。
由于這一過程中一般都有針頭/毛細(xì)管的卷入以加入/移走液體,針頭/毛細(xì)管的直徑一定要(與液滴相比)足夠小,使液體在針管/毛細(xì)管外壁上的潤濕不會對液滴在固體表面的接觸角產(chǎn)生影響。這一點(diǎn)尤其是對后退角的測量更為突出,否則測得的值將嚴(yán)重偏離真實值。
同樣由于過程中針頭/毛細(xì)管的卷入,使得液滴一般不再呈現(xiàn)中心軸對稱,也不再能被看作是圓或橢圓的一部分,所以基于Young-Laplace或圓或橢圓方程式的計算方法都將遇到困難,帶來較大誤差。此時一般使用廣義切線法,但此方法往往對少量的背景噪音較敏感。
2) 傾斜板(tilting plate)法
將一足夠大體積的液滴置于待測的樣品表面后,把樣品表面朝一方緩慢、不斷地傾斜。當(dāng)開始時液滴不發(fā)生移動,而只是其中的液體由后方向前方轉(zhuǎn)移,使得前方的接觸角不斷增大,而后方的不斷縮小。當(dāng)傾斜到一定角度時,液滴開始發(fā)生滑動。發(fā)生滑動前夕液滴的前角就是前進(jìn)角,后角則為后退角。
2) 傾斜板(tilting plate)測量前進(jìn)/后退/起始滾動角
傾斜板法有二種實現(xiàn)方法:
整體傾斜法:將整套測量儀置于搖籃狀的傾斜架上,讓包括攝像機(jī),光學(xué)鏡頭,樣品臺,樣品和光源等組件的整套儀器同時傾斜。這種構(gòu)造和操作的主要優(yōu)點(diǎn)在于:液滴相對于攝像機(jī)和光學(xué)鏡頭在整個過程中保持相對不傾斜,這樣軟件開發(fā)上就不必特殊處理,計算比較容易。 而其缺點(diǎn)也很為明顯:儀器越大、樣品越大/越重,所需要的傾斜架也越大,顯得很笨重;由于儀器上的所有東西都跟著一起傾斜,使得有些液體會倒出來,同時使得在傾斜作態(tài)無法加液產(chǎn)生液滴,也即液滴必須在傾斜前已經(jīng)被置于樣品表面。
局部傾斜法:只傾斜樣品臺和其上面的樣品包括可能已放置上去的液滴,其它的所有部件均不傾向,保持不動。 這樣做法的優(yōu)點(diǎn)顯而易見,可以避免上面提到的所有缺點(diǎn),使得儀器精巧,硬件制造成本降低,也能容許在任何傾斜角度下加液形成新液滴,或往已經(jīng)形成的液滴加入液體。但其也對軟件的開發(fā)提出了新的挑戰(zhàn),增加了不少難度和復(fù)雜性??梢缘貙Ω陡鞣N形狀的液滴,包括處于傾斜下的極度不對稱的液滴,計算接觸角的精度比普通方法大為提高。這使得我們不但可用此方法來更好地處理傾斜板法的液滴,也為處理加液/減液法下的液滴提供了一高可靠性的新方法。
注意:市場上有不少儀器提供這種局部傾斜法的硬件,但多數(shù)都沒有相應(yīng)軟件的支持。這并不能為用戶帶來多大好處,也無法完成上面提到的大多數(shù)功能。
使用傾斜臺測量接觸角,主要可以測量前進(jìn)角和后退角外,還可進(jìn)行下的測量:
某一傾斜角度時的兩側(cè)接觸角的差別,及這一差別隨傾斜角的變化;
某一傾斜角度時的液滴的起始滾動/滑動體積;
某一特定體積的液滴的起始滾動/滑動傾斜角度(roll-off angle);
從液滴的前進(jìn)接觸角和后退接觸角可以推算出相應(yīng)的近似楊氏(Young)接觸角。
以上的測量對許多潤濕/傳質(zhì)過程都很重要。在實際應(yīng)用中,不但要知道接觸角的大小,也必須知道前進(jìn)接觸角和后退接觸角以及二者的差別;在許多實際情況下,表面往往是傾斜的,所以在傾斜的情況下考察接觸角的特性行為也就顯得再自然不過,得到的結(jié)果也能更好地反映實際情況。對于某些液體的超疏水性特性,只有知道了前進(jìn)接觸角和后退接觸角以及液滴的起始滾動傾斜角度才能較完整地表征。