Tensiométrico de ângulo de contato/superfície: análise completa do princípio à aplicação

O ângulo de contato e a tensão superficial são parâmetros centrais da ciência da superfície de materiais, o primeiro refletindo a umidificação do líquido contra o sólido, o último caracterizando a força interna entre as moléculas da superfície do líquido. O tensômetro de ângulo de contato/superfície transforma a morfologia microscópica de gotas em dados quantitativos através de imagens ópticas e técnicas de modelagem matemática.

Princípio de teste: Quantificação de precisão baseada na mecânica da interface

Equação de Young e determinação da umidificação

Quando as gotas entram em contato com a superfície sólida, a tensão da interface trifásica sólido-líquido-gás atinge o equilíbrio, formando um ângulo de contato θ. A equação de Young (γ_sv = γ_sl + γ_lv cosθ) revela a relação entre o ângulo de contato e a energia livre da superfície: θ<90 ° é a superfície hidrofílica (como a água se espalha sobre o vidro) e θ>90 ° é a superfície hidrofóbica (como a água se contrae sobre as folhas cargadas). Essa equação é a base teórica da medição do ângulo de contato.

Ángulo de contato dinâmico e atraso

Ao controlar o processo de expansão e retração das gotas, é possível medir o ângulo de contato para a frente (área não umidificada do líquido) e o ângulo de contato para trás (área umidificada do líquido). Quanto maior for o atraso do ângulo de contato (Δθ = θ_adv-θ_rec), mais significativa é a rugosidade da superfície ou a desigualdade química. Por exemplo, o ângulo de atraso para superfícies ultrahidrofóbicas (θ > 150 °) é geralmente menor que 5 °, enquanto que o ângulo de atraso para superfícies metálicas rugosas pode ser superior a 30 °.

Método de medição da tensão superficial

Metodo de suspensão: a tensão superficial é calculada em combinação com a equação de Young-Laplace, analisando os parâmetros geométricos do contorno da gota, como a relação de diâmetro D/d. Este método é adequado para metais fundidos a altas temperaturas ou líquidos corrosivos.

Método de placa de platina: a placa de platina tratada com spray de areia é mergulhada em líquido e o valor da tensão superficial é convertido pela profundidade de mergulho quando a tensão superficial é equilibrada com a força inversa do instrumento. O teste de água destilada pode ser concluído em 5 segundos com precisão de ± 0,1 mN/m.

Processo de teste: processo padronizado da preparação de amostras à análise de dados

Preparação e pré-tratamento da amostra

Amostras em bloco / película: o tamanho deve ser maior que 2cm x 2cm, o erro de planejamento da superfície ≤5μm. Para superfícies dobradas (como fibras ópticas), a tecnologia de teste de ângulo de contato 3D é necessária.

Amostra de pó: Use uma prensa de comprimidos infravermelhos para comprimir em pedaços com espessura de ≥1mm. Se a amostra pegar o molde, você pode adicionar papel de pesagem na almofada de superfície.

Amostra líquida: teste de tensão superficial requer ≥1mL, pureza requer ≥99,9% (como água destilada secundária).

Recolha de dados e algoritmos de adaptação

Ángulo de contato estático: utilizando o método de ajuste de Young-Laplace (precisão ± 0,5°) ou o método de corte (aplicável a θ<120°). Para gotas não assimétricas (por exemplo, diferença de ângulo de contato esquerdo/direito > 10°), o algoritmo ADSA-RealDrop é necessário.

Ângulo de contato dinâmico: medir o ângulo de rolagem através de uma mesa inclinada (0-90°) ou controlar a taxa de variação do volume das gotas (0,1-10 μL/s) para capturar o ângulo para frente/para trás.

Cálculo de energia livre da superfície: com base no modelo de Owens-Wendt (para superfícies polares / não polares) ou no modelo de Fowkes (para superfícies de baixa energia), é necessário medir o ângulo de contato de pelo menos três líquidos com tensões superficiais conhecidas (por exemplo, água, **** e etanol).