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接觸角測量技術(shù)對比：懸滴法、座滴法與Wilhelmy板法

來源：時間：2025-04-14 09:21:34 瀏覽：7137次

接觸角測量技術(shù)對比：懸滴法、座滴法與Wilhelmy板法

接觸角測量作為評估表面潤濕性的重要手段，在材料科學(xué)、化學(xué)工程、生物醫(yī)學(xué)等多個領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用。準(zhǔn)確的接觸角數(shù)據(jù)對于理解液體在固體表面的行為、優(yōu)化材料表面性能以及開發(fā)新型功能材料具有重要意義。在眾多接觸角測量技術(shù)中，懸滴法、座滴法與Wilhelmy板法因其獨特的原理和優(yōu)勢，成為最常用的方法。

一、技術(shù)概述

接觸角是指在氣、液、固三相交界處，氣—液界面和固—液界面切線之間的夾角，它是量化液體對固體表面潤濕性的重要參數(shù)。當(dāng)液滴自由地處于不受力場影響的空間時，由于界面張力的存在而呈圓球狀。但是，當(dāng)液滴與固體平面接觸時，其最終形狀取決于液滴內(nèi)部的內(nèi)聚力和液滴與固體間的粘附力的相對大小。當(dāng)一液滴置于固體平面上時，液滴能自動地在固體表面鋪展開來，或與固體表面成一定的角度而存在，這個角度就是接觸角。通過接觸角的大小可以評價表面潤濕性、處理工藝、潔凈度等參數(shù)，在石油、化工、醫(yī)藥、造紙、涂料、農(nóng)藥、材料粘結(jié)劑、陶瓷、洗滌劑、高分子顏料、電線電纜、紡織、染料、建筑材料防水、浮法選礦、焊接、醫(yī)療衛(wèi)生等眾多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。

二、懸滴法

（一）原理

懸滴法是在沒有固體表面的情況下，利用液體在重力作用下的自然形態(tài)來測量接觸角。將液體懸掛在一根細(xì)管末端，形成液滴，通過改變液滴的體積或觀察角度，利用圖像分析技術(shù)測量液滴的輪廓，進(jìn)而根據(jù)楊氏方程計算接觸角。楊氏方程是描述固體表面潤濕性的基本方程，它考慮了液體表面張力、固體表面張力和液—固界面張力之間的平衡關(guān)系。

（二）優(yōu)點

懸滴法的主要優(yōu)點是避免了固體表面不均勻性帶來的干擾，能夠更準(zhǔn)確地反映液體本身的物理特性。在測量過程中，液體處于自由懸掛狀態(tài)，不受固體表面微觀結(jié)構(gòu)的影響，因此可以獲得較為純凈的接觸角數(shù)據(jù)。此外，懸滴法還可以通過改變液滴的體積或觀察角度，研究接觸角隨液滴形態(tài)變化的關(guān)系，為深入理解液體在固體表面的潤濕行為提供更多的信息。

（三）缺點

懸滴法的缺點是操作相對復(fù)雜，需要精確控制液體的體積和滴落高度。液滴的形成和懸掛過程受到多種因素的影響，如液體的粘度、表面張力、細(xì)管的直徑和材質(zhì)等，這些因素都需要進(jìn)行精確的控制和校準(zhǔn)。此外，懸滴法對實驗環(huán)境的要求較高，需要避免氣流、振動等因素對液滴形態(tài)的影響，以確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

（四）適用場景

懸滴法適用于對液體本身物理特性要求較高、需要避免固體表面干擾的接觸角測量。例如，在研究液體的表面張力、粘度等物理性質(zhì)對接觸角的影響時，懸滴法可以提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。此外，在一些特殊的材料表面研究中，如超疏水表面、超親水表面的制備和表征，懸滴法也可以用于評估液體在這些表面上的潤濕行為。

三、座滴法

（一）原理

座滴法是將液滴放置在固體表面上，通過觀察其形狀變化來測量接觸角。將液滴滴在固體樣品上，液滴的圖像由高分辨率相機拍攝，然后由軟件自動測量角度。當(dāng)液滴處于平衡狀態(tài)時，其形狀由液體的表面張力、固體表面的潤濕性和重力等因素共同決定。通過分析液滴的輪廓，利用圖像處理算法可以計算出接觸角的大小。

（二）優(yōu)點

座滴法操作簡便，容易實現(xiàn)。只需將液滴放置在固體表面上，即可通過光學(xué)系統(tǒng)觀察和測量接觸角。由于液滴很容易放置在樣品表面，且分析完全是由軟件完成的，因此座滴法是最快速的接觸角測量方法之一。此外，座滴法還可以用于測試固體表面自由能。由于沒有方法可直接測試表面自由能，需要采用座滴法測試不同液體在表面的接觸角，使用接觸角數(shù)值建模計算固體表面自由能。

（三）缺點

座滴法可能會受到固體表面不均勻性的影響，導(dǎo)致測量結(jié)果出現(xiàn)誤差。固體表面的微觀結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成、粗糙度等因素都會影響液滴在其上的潤濕行為，從而使接觸角的測量結(jié)果產(chǎn)生偏差。此外，液滴的體積大小也會影響接觸角測量精度。較小的液滴容易受到表面張力的影響，形狀不穩(wěn)定；較大的液滴則可能會受到重力的影響，導(dǎo)致接觸角的測量值不準(zhǔn)確。

（四）適用場景

座滴法適用于各種固體材料表面接觸角測量，特別是在需要快速、簡便地評估表面潤濕性的場景中。例如，在涂料行業(yè)，可以用座滴法判斷涂料對基底的附著性；對于紡織品，可以了解其防水透氣性能；在制藥領(lǐng)域，可以輔助研究藥物與載體的相互作用。此外，座滴法還可以用于材料研發(fā)、質(zhì)量控制等方面的表面潤濕性評估。

四、Wilhelmy板法

（一）原理

Wilhelmy板法基于測量部分浸入液體中的板上的力來計算接觸角。Wilhelmy板是指具有一定尺寸的薄板，通常用于分別測量氣液界面或液液界面之間的表面或界面張力。當(dāng)板部分浸入液體中時，作用在板上的力可以表示為F=Pγcosθ+ρgAh，其中P是板的周長，γ是液體的表面張力，ρ是液體的密度，A是板的表面積，h是浸潤深度，g是重力常數(shù)。等式右側(cè)的第一項由潤濕力引起，第二項由浮力引起。通過測量作用在板上的力，并結(jié)合已知的液體表面張力和板的幾何參數(shù)，可以計算出接觸角θ。

（二）優(yōu)點

Wilhelmy板法具有測量精度高、適用范圍廣的優(yōu)點。該方法可以測量液體在固體表面的動態(tài)接觸角，包括前進(jìn)和后退接觸角值，而且可以很好地控制液體/氣體/固體表面—三相接觸線的移動速度。此外，Wilhelmy板法原則上可以用來測量任何幾何形狀的表面，只要可以準(zhǔn)確測量其和液體潤濕時的總周長，并且這一值在樣品移動過程中保持不變（或者可以預(yù)先知道其變化函數(shù)關(guān)系）。

（三）缺點

Wilhelmy板法對樣品的形狀和尺寸有一定的要求。對于具有不規(guī)則形貌的樣品表面，很難確定/測量其潤濕時的總周長，因此這一方法的測量一般只限于幾何形狀規(guī)則的樣品表面，如薄板/片、圓柱體等。此外，Wilhelmy板法能夠接納的樣品尺寸是非常有限制的，既不能太大，也不能太小。實際遇到的樣品尺寸一般都要么太大需要進(jìn)行切割后才能測量（而這又會帶來問題和引入誤差），要么太小，無法進(jìn)行測量。

（四）適用場景

Wilhelmy板法適用于需要高精度測量接觸角、研究液體在固體表面動態(tài)潤濕行為的場景。例如，在材料科學(xué)領(lǐng)域，可以用Wilhelmy板法研究材料的表面改性對其潤濕性的影響；在化學(xué)工程領(lǐng)域，可以用于研究液體在多孔材料中的滲透和潤濕行為；在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，可以用于研究生物材料與生物液體的相互作用。

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