接触角测试

材料是人类生产和生活水平提高的物质基础，是人类文明的重要支柱和文明进步的重要里程碑。材料科学的发展推动社会发展，而材料科学的进步又取决于社会生产力和科学技术的进步。计算机作为一种先进的现代工具，在日常生活当中得到了越来越广泛的应用，计算机应用已广泛深入科学、技术、社会生活等各个领域。当今世界，几乎所有专业都与计算机息息相关。计算机在材料科学中应用也不断发展，其作用是明显的。比如显微镜的计算机系统、计算机用于新材料的设计、材料加工当中的计算机自动化控制，等等这些先进手段大大方便材料科学研究。许多大学的材料科学系早已经将《计算机在材料科学中的应用》列为学科基础课程。

接触角是材料表面润湿性能的重要参数之一。通过接触角的测量可以获得材料表面固-液、固-气界面相互作用的许多信息。因此，接触角的测量在材料防护、医药、半导体、化妆品、生命科学、油墨工业及其他领域都有重要应用。表面自由能及其极性色散力分量（非极性分量）是固体表面最基本的热力学性质之一。诸多表面现象以及与表面性质有关的各向异性、润湿性、粘结性、吸附性等效应均与之密切相关。

接触角和表面能的测量和计算方法有多种，而且还在不断的发展完善，这些方法各有其使用范围和优缺点，没有一种技术能够测量所有固体表面的接触角。在实际的操作中应该根据具体情况，选择适合的测量方法。接触角数据应该与其他的表面分析技术相结合，今后将朝着高精确度、多功能化和在线分析的方向发展。

目前国内外对材料表面接触角的测量技术已经相当成熟。复杂至大型的计算量大的精密测量软件，简单至基本代码写制的计算仪；贵至几十万，而便宜至简单的基本代码写制的测量软件，对各种先进的仪器测量的出的数据能够满足不同的接触角与表面能的测量和计算需求。

2 接触角与表面能

2.1 理论背景

液体与固体接触时的润湿情况有两种。第一种情况，液体完全润湿固体表面，即液-气（l-g ）界面与固-液（s-l ）界面之间的接触角为0°；第二种情况，液体部分润湿固体表面，即液体在固体表面形成液滴，呈现非零接触角。如图1所示，对于此种情况的宏观液滴，三相界面张力满足Young ’s 方程：

cos l g s g s l γγγ---=-θ

式中γ----界面张力，下标l ，g 和s 分别代表液相、气相和固相； θ----接触角。

在学术上普遍认可的接触角定义是：过三相接触点，向l-g 界面做切线，l-g 界面切线与s-l 界面之间的夹角，即为接触角。

图1 固体表面上的液滴

在气相环境中，液滴在完美固体表面的情况可有Young ’s 方程可知：

SV SL LV cos γγγ=+θ （1）

根据表面化学理论，固-液界面张力可由下式计算：

0d d P P

SL LV S S LV S LV

22γγγγγγγ=+-- （2）

其中，d 和p 分别是表面能的色散分量和极性分量；0

S γ是固体在真空中的比表面能，对于像炸弹这样的低表面能的有机分子有

0S SV

γγ≈。

把（2）代入（1）可得：

()d d P P

LV S LV S LV

1cos 22γθγγγγ+=+ (3)

显然，如果能找到两种已知

d

S γ和P

LV γ的液体，并测出它们在固体表面的接触

角，那么就可以计算出固体表面的比表面自由能。

上述公式是接触角和表面能的基本计算公式及计算机计算表面能的理论依据。

2.2 常用接触角的测量方法

接触角测量方法可以按不同的标准进行分类。按照直接测量物理量的不同，可分为量角法、测力法、长度法和透过法。按照测量时三相接触线的移动速率，可分为静态接触角、动态接触角（又分为前进接触角和后退接触角）和低速动态接触角。按照测试原理又可分为静止或固定液滴法、Wilhemly 板法、捕获气泡法、毛细管上升法和斜板法。

1量角法

这种方法的本质是直接或间接地量取接触角的大小。它是应用最广，也是最直观、最直接的测量方法。具体的做法又有多种，主要由投影法、摄影法、显微角法、斜板法和光点反射法。

量角法的突出缺点是一般需要做切线，测量结果往往受到操作者的影响，重现性差，误差较大。

2 长度法

长度法是通过相关的长度参数，利用接触角和这些参数的关联方程，求解出接触角，这就避免了做切线的困难：

当液滴足够小时，重力可以忽略，液滴是最理想的球冠形，如图2所示。测量在固体平面上小液滴的高度（h ）和宽度（2r ），根据：

22

2sin hr

h r

=+θ （1）

tan 2h r

=θ （2）

式中r---球形液滴底面圆的半径

h—液滴的高度

图2 球形液滴剖面图

因此，通过测量h和2r，就可以根据上式计算出接触角。由式（2）表达式，这种方法又叫θ/2法。在实际操作中，对于空气中的液滴，要保证接触角的测量误差范围在±0.1°，其底面直径应该在2～5mm。液滴的直径不能＜2mm ，是为了避免尺寸效应的影响。目前，美国FTA公司推出FTA100系列产品、德国Dataphysics公司推出的OCA系列视频光学接触角测量仪以及PCA系列便携式/在线接触角测量仪、ACA系列全自动视频接触角测量仪以及SVT系列视频接触角测量仪（超低界面张力仪）均基于该原理。

长度法由于不需要做切线，测量结果受操作者的影响比量角法小。但长度法在推导接触角与长度参数的关联方程时，往往有一些假设条件。实际测量中又不能满足这些条件，如液滴的体积不是球形的一部分，或液滴在粗糙表面、多相表面的接触角并不是轴对称的，此时用长度法测量接触角就会给测量结果带来误差。

4 接触角的测量

首先双击进入“接触角测量系统”（如图3），点击“测量接触角”进入接触角测量界面：