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接觸角測量儀的核心—接觸角的計算方法
發(fā)布時間：2022-08-17 點擊次數(shù)：1272
在材料表面上附著的液滴會呈現(xiàn)出一定形狀，這個形狀取決于固體-液體-氣體界面之間的張力平衡。1805年Young首先提出了一個方程描述這個平衡態(tài)，從此接觸角測量就成為評價液體對固體表面潤濕的經(jīng)典方法。
20世界末期隨著電腦計算速度和高分辨率相機性能的不斷提高，光學(xué)接觸角測量儀器完成了自動化和商品化。從此測量接觸角成為操作方便結(jié)果可靠的實驗手段。但是有不少用戶對于接觸角測量的方法仍存在誤解，認(rèn)為接觸角測量儀不過是自動化的數(shù)碼量角器而已。
實際上接觸角值是通過測量液滴輪廓在三相接觸點處的一階導(dǎo)數(shù)即切線的斜率而得到的，而三相接觸點附近的液滴輪廓會受到各種光線的干擾，或者由于材料不夠平整遮掩住三相接觸點附近的輪廓。所以光學(xué)法接觸角測量并不是對數(shù)碼照片上的某個夾角直接測量而得到的，而是使用不同的數(shù)學(xué)模型擬合液滴輪廓，再通過計算得到的。
較為簡單的模型就是球模型。球模型是把液滴的形狀假定為球體的一部分，那么其截面形狀就是圓形的一部分。在此圓形的三相接觸點處求解一階導(dǎo)數(shù)即可計算出接觸角數(shù)值。球模型的缺陷在于沒有考慮重力對液滴形狀的影響。嚴(yán)格來講在固體表面上任何液滴在重力作用下形狀都會偏離球形，體積越大偏離越多，密度越大偏離越多，接觸角數(shù)值越大偏離越多。通常情況下如果液滴體積小于3微升，接觸角值小于30°，才可以考慮使用球模型計算。目前常見的Circle法，Width/Height法，θ/2法都是基于球模型的計算方法。
二次曲線模型是考慮到在重力作用下液滴會被壓扁，所以采用了包括圓方程、橢圓方程在內(nèi)的廣義的二次曲線模型來擬合液滴中心截面的輪廓。此方法通用性較廣，測量的理想范圍從10°左右到130°左右，測量精度較高。
Laplace-Young模型是把重力和密度對液滴形狀的影響定量計算在內(nèi)的準(zhǔn)確算法。為了求解此方程需要引入中心軸對稱的假設(shè)。如果液滴是中心軸對稱的，Laplace-Young模型是此時的準(zhǔn)確算法。如果液滴的接觸角在100°以上，那么它會比較符合軸對稱的前提。接觸角越大則軸對稱性越好，計算得到的接觸角數(shù)值越準(zhǔn)確。當(dāng)接觸角大于150°時，Laplace-Young模型甚至是wei一正確的算法。通常接觸角大于60°時就可以考慮選擇此算法，接觸角值大于120°時，測量的準(zhǔn)確性會相當(dāng)理想。
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