Medidor de ângulo de contatoÉ um instrumento usado para medir o ângulo de contato líquido-sólido, usado principalmente para avaliar a penetração líquida-sólido e, em seguida, analisar as propriedades físicas e químicas da umidificação, limpeza, uniformidade e energia livre da superfície da superfície sólida. Tem amplas aplicações em ciência de materiais, química, biologia, microeletrônica e tecnologia de revestimento.

Este artigo apresenta uma análise abrangente do medidor de ângulo de contato a partir dos seguintes aspectos:

Conceito básico de ângulo de contato

Princípio de funcionamento do medidor de ângulo de contato

Principais tipos de medidores de ângulo de contato

Composição e componentes-chave do medidor de ângulo de contato

Métodos de medição do ângulo de contato

Passos de uso do medidor de ângulo de contato

Tratamento e análise de dados

VIII. Precauções e áreas de aplicação

Conceito básico de ângulo de contato

Definição:

O ângulo de contato é quando a gota atinge o equilíbrio na superfície sólida, no ponto de intersecção líquido-sólido, líquido-gás e sólido-gás, o ângulo entre o contorno da gota e a superfície sólida, geralmente representado em θ.

Critérios de julgamento:

θ < 90°: Liquidófilo (líquido umidifica superfícies sólidas, como gotas de água em vidro limpo)

θ > 90°: dehidratação (líquidos não molhetam facilmente superfícies sólidas, como o mercúrio no vidro)

θ ≈ 0°: umidificação

θ ≈ 180°: não húmido (hiperhidrofóbico)

Aplicação:

Medindo o ângulo de contato, pode-se deduzir a umidade, a rugosidade, a composição química e o efeito do tratamento superficial da superfície do material.

Dois.Princípio de funcionamento do medidor de ângulo de contato

O medidor de ângulo de contato calcula os parâmetros de forma das gotas com base em princípios de imagem óptica e modelos geométricos/mecânicos, o que repete o tamanho do ângulo de contato. Seu fluxo de trabalho básico é o seguinte:

Introduzir uma pequena quantidade de gotas (geralmente de 1 a 10 μL) na superfície da amostra sólida a ser testada;

Capturar imagens de gotas usando câmeras de alta resolução;

Software para detecção de bordas de imagens, extração de contornos de gotas;

De acordo com a curva do contorno da gota, o ângulo de contato é calculado usando algoritmos de ajuste (por exemplo, ajuste circular, ajuste eliptico, ajuste da equação de Young-Laplace, etc.);

Resultados de medição de saída e análise adicional de parâmetros como energia de superfície.

Principais tipos de medidores de ângulo de contato

Medidor de ângulo de contato estático: mede o ângulo de contato de gotas em estado estático.

Medidor de ângulo de contato dinâmico: medir ângulos para frente e para trás, inclinando a mesa de amostras ou aumentando / diminuindo o volume de gotas, para estudar a umidificação e o atraso.

Analisador de energia superficial em suspensão: é usado para calcular a energia superficial de sólidos medindo a tensão superficial de um líquido em forma de gota em suspensão.

Angóletro de contato tipo fluímetro de interface: combinando o ângulo de contato dinâmico com as propriedades de fluímetro de expansão de interface, é adequado para estudar a interação de líquidos viscoelásticos e interfaces.

Composição e componentes-chave do medidor de ângulo de contato

Mesa de amostras: para fixar amostras sólidas testadas, geralmente com funções de regulamento horizontal e aquecimento.

Sistema de adição de líquido: bomba de injeção ou seringa manual para controlar com precisão o volume de gotas.

Sistema de captura de imagem: câmera CCD ou CMOS de alta definição para obter imagens de gotas com lentes de microscópio.

Fonte de luz: fornece iluminação de fundo uniforme e estável (fonte de luz fria LED comumente usada) para melhorar o contraste da borda das gotas.

Sistema de controle ambiental da amostra (opcional): câmara de controle de temperatura, controle de umidade, controle de atmosfera, etc.

Software de análise: para processamento de imagens, extração de contorno, cálculo de ângulo de contato, exportação de dados e geração de relatórios.

　　
Métodos de medição do ângulo de contato

Sessile Drop Method (Método de gota sessual)

Coloque as gotas em uma superfície plana sólida e mantenha-a estável para medir o ângulo de contato estático.

Pode ser realizado um teste de gota única ou múltiplas gotas (líquidos diferentes) para comparar a umidificação da superfície.

Método de inclinação (Tilting method)

Após a estabilização da gota, incline lentamente a mesa de amostra para registrar as mudanças no ângulo de contato das bordas frontal e posterior da gota, obtendo o ângulo de avanço e o ângulo de retrocesso.

Utilizado para avaliar o atraso do ângulo de contato e a desigualdade da superfície.

Método Needle-in/out

Use a agulha para inserir ou extrair o líquido, altere o volume das gotas e observe a mudança de ângulo ao mover a linha de contato.

Também é usado para medir os ângulos de frente e retrocesso.

Método de gota pendente (Pendant Drop Method)

Usado para medir a tensão superficial de líquidos e calcular indiretamente a energia superficial de sólidos.

O ângulo de contato não é medido diretamente, mas é frequentemente usado na análise de energia de superfície.

O método de Wilhelmy Plate

Calcule o ângulo de contato e a energia superficial medindo a mudança de força da folha sólida durante a imersão no líquido.

Aplicável a materiais flexíveis como fibras e filmes finas.

Passos de uso do medidor de ângulo de contato

Preaquecimento: Ligue a fonte de luz, o sistema de câmera e o computador e preaqueça por 10 a 30 minutos para garantir a estabilidade.

Preparação da amostra:

Certifique-se de que a superfície da amostra é limpa, plana e livre de poluição.

Pode ser lavado com solventes (por exemplo, etanol, acetona) e secado por sopro.

Para testes a alta temperatura, instale a amostra no console de temperatura.

Instrumentos de calibração:

Ajuste o nível do banco de amostras (usando um horizontômetro ou uma ferramenta de calibração incorporada ao software).

Foque a imagem para garantir que as bordas das gotas sejam claras.

As gotas adicionadas:

Use uma microseringa para adicionar gotas com o volume definido (recomendado de 1 a 5 μL).

Evite que a agulha toque a superfície da amostra.

Coleta de imagens:

Espere que a gota esteja estável (normalmente 5 a 30 segundos) para obter uma imagem clara.

É possível filmar vários quadros de forma contínua para maior precisão.

Cálculo de ângulo:

O software reconhece automaticamente os contornos das gotas e seleciona o modelo adequado (por exemplo, círculo, elipse, Young-Laplace).

Leia os ângulos de contato esquerdo e direito para obter uma média ou um registro separado.

Teste dinâmico (opcional):

Incline a mesa de amostras ou altere o volume de gotas e repita as etapas acima para medir o ângulo para frente / para trás.

Armazenamento e análise de dados:

Exporte imagens, valores angulares, curvas de ajuste e outros dados.

Realizar análises estatísticas ou cálculos de capacidade de superfície.

Limpeza do desligamento: desligue o dispositivo, limpe o banco de amostras e a agulha, registre o registro de uso.

Tratamento e análise de dados

Modelo de cálculo do ângulo de contato:

Ajuste círculo: adequado para pequenos ângulos de contato (θ < 30°) e gotas próximas da esfera.

Ajuste elíptico: adequado para ângulos de contato médios (30° < θ < 120°), considerando os efeitos da gravidade.

Ajuste Young-Laplace: preciso para grandes gotas, grandes ângulos de contato ou formas complexas, considerando o equilíbrio entre tensão superficial e gravidade.

A superfície pode ser estimada:

Utilizando métodos como Owens-Wendt, Van Oss, Zisman e outros, a energia de superfície do sólido e sua polaridade/dispersão são repercutidas através de vários dados de ângulo de contato com líquidos.

Análise de atraso do ângulo de contato:

Retardo = ângulo para frente - ângulo para trás, refletindo o efeito da rugosidade da superfície, desigualdades químicas ou camadas de adsorção.

VIII. Precauções e áreas de aplicação

Atenção:

A superfície da amostra deve ser limpa e seca para evitar que a poluição cause erros.

O volume das gotas deve ser moderado, muito grande é significativamente afetado pela gravidade, e muito pequeno é a borda difusa.

Vibrações ambientais, fluxo de ar e flutuações de temperatura podem afetar a precisão da medição e necessitam de operação em ambientes estáveis.

Medir a média várias vezes para aumentar a repetibilidade.

Os resultados dos diferentes métodos de adaptação podem variar significativamente e o modelo adequado deve ser selecionado de acordo com a forma e a teoria das gotas.

Áreas de aplicação:

Avaliação de modificações superficiais de materiais (por exemplo, tratamento ao plasma, revestimentos, nanoestruturas)

Pesquisa e desenvolvimento de materiais hiperhidrofóbicos / hiperhidrofílicos (por exemplo, superfícies auto-limpas, vidro anti-névoa)

Análise de compatibilidade de biomateriais (por exemplo, adesão celular, adsorção de proteínas)

Separação de óleo e água, projeto de dispositivos de microfluidos

Otimização de processos de impressão, revestimento e adesão

Inspeção de qualidade de limpeza de wafers semicondutores

Estudo expansivo de cosméticos e medicamentos

Resumo

O medidor de ângulo de contato é uma ferramenta de análise de superfície de alta precisão e não destrutiva que consiste na captura óptica de formas de gotas e no cálculo do ângulo de contato em combinação com modelos matemáticos. O domínio do seu funcionamento, uso correto e habilidades de análise de dados são essenciais para a avaliação e otimização das propriedades da superfície do material. Com o progresso tecnológico, os medidores de ângulo de contato modernos integraram funções como automação, alta temperatura e alta pressão, controle ambiental e outros, tornando-se equipamentos em pesquisa científica e inspeção de qualidade industrial.