表面接觸角測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)

趙金+張錦+蔣世磊+馬富華+王文靜+高占權(quán)

摘要： 紹了一種用于測(cè)量表面接觸角的簡(jiǎn)易裝置，目的是為材料表面的潤(rùn)濕性實(shí)驗(yàn)研究過(guò)程提供一種簡(jiǎn)易專用裝置和方法，替代昂貴的專用測(cè)量?jī)x器，用于快速評(píng)估被測(cè)樣品表面的接觸角。裝置由樣品臺(tái)、光學(xué)系統(tǒng)、三維平移臺(tái)、移液器和計(jì)算機(jī)組成，對(duì)被測(cè)樣品表面具有一定體積的液滴通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)成像，并將CCD相機(jī)與計(jì)算機(jī)相結(jié)合，對(duì)液滴形態(tài)圖像進(jìn)行存儲(chǔ)和分析，從而得到被測(cè)樣品的表面接觸角。對(duì)裝置的結(jié)構(gòu)、功能和使用方法進(jìn)行了介紹。

關(guān)鍵詞：

接觸角測(cè)量； 接觸角測(cè)量裝置； 表面接觸角

中圖分類號(hào)： O 435文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2017.06.012

Abstract：

A simple device for the surface contact angle measurement is introduced to provide an alternative setup and method，replace expensive special measuring instrument，and realize rapid evaluation of the surface contact angle during experimental studies on the surface wettability.The device consists of a sample platform，an optical system，a threedimensional translational stage，adjustable volume pipettes，and a computer.A liquid droplet with a certain volume on the tested sample surface is imaged by the CCD camera in the optical system，and the computer software is used to analyze the image and to obtain the contact angle of the tested sample surface.The device structure，function and use are presented.

Keywords：

contact angle measurement； contact angle measurement setup； surface contact angle

引言

微納結(jié)構(gòu)制造技術(shù)的發(fā)展，使得人們對(duì)人工自清潔表面技術(shù)的研究投入了越來(lái)越多的注意力，在化學(xué)、生物、光學(xué)、材料等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，自清潔技術(shù)的研究都有顯著進(jìn)展[14]，各種新材料、新膜層、新涂料應(yīng)運(yùn)而生。在研究制作自清潔表面結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，需要對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品表面的接觸角多次甚至頻繁地進(jìn)行測(cè)量。

接觸角是表征液體在固體表面潤(rùn)濕性的重要參數(shù)。隨著新材料的不斷涌現(xiàn)，對(duì)其表面接觸角進(jìn)行測(cè)量成為了解其潤(rùn)濕特性必不可少的手段之一。目前測(cè)量表面接觸角的專用測(cè)量?jī)x器，針對(duì)不同的應(yīng)用需求，功能已經(jīng)得到很全面的開發(fā)[5]。國(guó)際市場(chǎng)上已出現(xiàn)了高溫高真空度接觸角測(cè)量?jī)x[6]，不僅能在高溫高真空度或稀有氣體保護(hù)環(huán)境下測(cè)量熔融金屬的接觸角和表面張力，還能通過(guò)更換光源位置并安裝注射系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)室溫下接觸角、表面張力等的測(cè)量，可廣泛應(yīng)用于航空航天材料、冶金工業(yè)、焊接材料等研究領(lǐng)域。另外市場(chǎng)上還出現(xiàn)了一種可測(cè)量曲面樣品的手持式接觸角表面能測(cè)量?jī)x[7]，可全自動(dòng)完成兩種不同液體的滴定，同時(shí)獲得所有接觸角的相關(guān)參數(shù)，全自動(dòng)計(jì)算固體基材的表面自由能及能量分量的組成，適用于各種復(fù)雜樣品和測(cè)量環(huán)境，不只適合測(cè)量普通平面，對(duì)于垂直側(cè)面、天花板及曲面樣品都可以進(jìn)行測(cè)量。

目前市場(chǎng)上已有的專用測(cè)量?jī)x器功能齊全，但是價(jià)格不菲。在實(shí)驗(yàn)研究的過(guò)程中，除了昂貴的、功能齊全的專用測(cè)量設(shè)備外，一些專用的簡(jiǎn)易的測(cè)量裝置也是必需的，以方便在低成本條件下對(duì)材料表面的接觸角進(jìn)行快速評(píng)估，為實(shí)驗(yàn)過(guò)程中快速準(zhǔn)確地調(diào)整工藝參數(shù)提供參考依據(jù)。

本文介紹課題組自行設(shè)計(jì)和搭建的一套表面接觸角測(cè)量裝置，對(duì)該裝置的結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵元器件的參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明。

1基本概念

液體在固體表面的接觸角反映了液體在固體表面的潤(rùn)濕性。液體的潤(rùn)濕性通常是指其在固體表面鋪展或聚集的能力。如圖1所示，接觸角θ定義為固、液、氣三相的交界點(diǎn)處固液界面與液氣界面切線

之間的夾角[8]。接觸角是潤(rùn)濕程度的量度，也是固體表面非常重要的性質(zhì)之一。當(dāng)液滴在固體表面處于平衡狀態(tài)時(shí)，接觸角與各界面張力之間的關(guān)系可由楊氏方程[9]表示：

cos θ=（σsg-σsl）/σlg

（1）

式中σsg、σsl和σlg分別為固氣、固液和液氣間的界面張力，θ為固、液、氣三相平衡時(shí)的接觸角。若θ<90°，通常認(rèn)為固體表面是親水性的，即液體較易潤(rùn)濕固體，其角度越小，表明液體對(duì)固體的潤(rùn)濕程度越高；若θ>90°，則認(rèn)為固體表面是疏水性的，即液體不容易潤(rùn)濕固體。

目前接觸角的測(cè)量方法大致可分為三類[1013]：量角法、測(cè)高法和測(cè)重法。本裝置是利用量角法對(duì)接觸角進(jìn)行測(cè)量，即直接觀測(cè)固體表面平衡液滴的外形，從三相交界點(diǎn)處人為地作氣液界面切線，根據(jù)接觸角定義進(jìn)行測(cè)量。

2裝置的組成和功能

表面接觸角的簡(jiǎn)易測(cè)量裝置主要由樣品臺(tái)、光學(xué)系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)支撐底座、移液器和計(jì)算機(jī)組成。樣品臺(tái)用于放置和固定被測(cè)樣品，并可通過(guò)樣品臺(tái)底座上的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組件移動(dòng)被測(cè)樣品，在需要的情況下也可調(diào)整樣品臺(tái)的傾角，使液滴在樣品表面滾動(dòng)或滑動(dòng)。光學(xué)系統(tǒng)對(duì)被測(cè)樣品及液滴成像，并通過(guò)CCD相機(jī)記錄和存儲(chǔ)，方便進(jìn)行后續(xù)的分析和處理。被測(cè)樣品表面的液滴由一個(gè)手持式移液器定量供給。樣品臺(tái)和光學(xué)系統(tǒng)支撐底座均可作多維運(yùn)動(dòng)，方便調(diào)整光學(xué)成像系統(tǒng)和被測(cè)目標(biāo)之間的相對(duì)位置。裝置的功能框圖如圖2所示。endprint

3關(guān)鍵組件

3.1光學(xué)系統(tǒng)

光學(xué)系統(tǒng)由一個(gè)成像物鏡和一個(gè)CCD相機(jī)組成。物鏡的放大倍率為0.7～1。光學(xué)系統(tǒng)如圖3所示。

因?yàn)樾枰尡粶y(cè)樣品表面的液滴隨著樣品臺(tái)的傾斜而逐漸產(chǎn)生黏滯變形或滾動(dòng)，所以要求相機(jī)的幀率在10幀/s以上，相機(jī)的主要參數(shù)見表1。

3.2樣品臺(tái)

樣品臺(tái)除了可以放置被測(cè)樣品外，還應(yīng)能進(jìn)行傾斜和水平移動(dòng)。當(dāng)用手持式移液器將液滴滴落在被測(cè)樣品表面時(shí)，液滴在樣品表面的位置是可以隨意選取的。樣品臺(tái)在水平面內(nèi)垂直于光軸方向的移動(dòng)，可將樣品表面的液滴初步調(diào)整至光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)的中央，方便光學(xué)系統(tǒng)對(duì)液滴進(jìn)一步調(diào)焦。樣品臺(tái)繞光軸方向的旋轉(zhuǎn)能使樣品傾斜一定角度，令位于樣品表面的液滴發(fā)生滾動(dòng)或者黏滯變形，方便進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀測(cè)和測(cè)量。

選用光機(jī)元件市場(chǎng)上常見的旋轉(zhuǎn)臺(tái)和一維平移臺(tái)實(shí)現(xiàn)傾斜和平移的基本功能，通過(guò)一個(gè)直角彎板將旋轉(zhuǎn)臺(tái)和平移臺(tái)連接組合在一起。圖4為樣品臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖。

為了使液滴在樣品臺(tái)旋轉(zhuǎn)傾斜時(shí)不會(huì)因?yàn)闃悠放_(tái)旋轉(zhuǎn)一個(gè)小角度而使液滴圖像跑出視場(chǎng)以致CCD相機(jī)難以捕捉，安裝時(shí)需要仔細(xì)調(diào)整直角彎板與旋轉(zhuǎn)臺(tái)之間的相對(duì)位置，對(duì)于較厚的被測(cè)樣品，調(diào)整時(shí)還應(yīng)考慮樣品的厚度。對(duì)于靜態(tài)接觸角的測(cè)量，調(diào)整時(shí)僅需注意保證臺(tái)面處于水平狀態(tài)，結(jié)合使用光學(xué)系統(tǒng)支撐底座的三維平移功能即可。

3.3移液器

移液器的選取需要考慮測(cè)量時(shí)需要滴落的液體的體積大小。

當(dāng)液滴的體積很小時(shí)，可忽略地球引力對(duì)其形狀的影響，基片表面的液滴可近似為球體的一部分，如圖5所示。根據(jù)圖中的幾何關(guān)系可以得出接觸角與球缺幾何參數(shù)之間的關(guān)系為[14]

θ=2arctan2hD

（2）

式中：θ為液滴接觸角；h為液滴球缺高度；D為液滴球缺底端圓的直徑。不論θ>90°還是θ<90°，式（2）都成立。

液滴球缺的體積與球缺底端圓半徑和球缺高度之間的關(guān)系為

V=πh（3r2+h2）6

（3）

式中：V為液滴球缺體積；r為液滴球缺底端圓半徑；h為液滴球缺高度。

當(dāng)液滴體積達(dá)到一等程度時(shí)，由于地心引力、表面張力等力的綜合作用，液滴的形狀會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離球體，達(dá)到新的平衡狀態(tài)。液滴在樣品表面上處于靜態(tài)時(shí)的形狀，與液滴的體積和樣品材料本身的潤(rùn)濕性有關(guān)。

考慮到液滴形狀的復(fù)雜性，即使液滴形狀為球缺時(shí)，其大?。ㄇ蛉备叨群偷撞恐睆剑┮蚴鼙粶y(cè)表面疏水性或親水性的影響，對(duì)不同的材料來(lái)說(shuō)也是有差別的，因此，為了方便估算移液器和CCD器件的參數(shù)，可先把液滴近似為球體，再結(jié)合考慮通常情況下液滴在親水表面鋪展開的程度，以此判斷所選器件參數(shù)是否合理。

根據(jù)球體的體積公式，可以得出液滴大小隨液滴體積的變化規(guī)律，

V=4πR33

（4）

式中：V為液滴的體積；R為液滴的球面半徑。表2列出了不同的液滴體積對(duì)應(yīng)的液滴直徑大小。圖6為液滴直徑與體積之間的關(guān)系曲線。

在滿足測(cè)量所需液滴體積的條件下，還應(yīng)考慮移液器規(guī)格、記錄圖像的尺寸等與所選用的CCD靶面尺寸是否相互匹配。為了以較低的成本搭建測(cè)量裝置，當(dāng)選用的CCD靶面尺寸過(guò)小時(shí)，容易出現(xiàn)液滴圖像大小超出CCD靶面范圍的現(xiàn)象，這是必須要避免的。

裝置選用的CCD靶面尺寸為1/2 inch（1 inch=2.54 cm），即6.4 mm×4.8 mm，對(duì)角線為8 mm。若使液滴成像在靶面中央又不充滿整個(gè)畫面，考慮到非疏水表面液體的鋪展程度，選用移液器規(guī)格為0.5

Symbol～A@ 10 μL，能滿足使用要求。

4裝置結(jié)構(gòu)及使用方法

裝置由樣品臺(tái)、光學(xué)系統(tǒng)、三維平移臺(tái)、移液器和計(jì)算機(jī)組成，這些組件通過(guò)一個(gè)大的直角彎板連接構(gòu)成一個(gè)整體。圖7所示為表面接觸角測(cè)量裝置的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。

1—直角彎板底座；2—旋轉(zhuǎn)臺(tái)；3—一維平移臺(tái)；4—移液器；5—成像物鏡；6—三維平移臺(tái)；7—CCD相機(jī)；8—計(jì)算機(jī)；9—被測(cè)樣品及液滴使用時(shí)，被測(cè)樣品放在樣品臺(tái)上，用手持式移液器將液體滴落在被測(cè)樣品表面，調(diào)節(jié)樣品臺(tái)底部的一維平移臺(tái)，或者調(diào)節(jié)與光學(xué)鏡頭相連接的三維平移臺(tái)，使液滴成像在CCD相機(jī)的靶面中央。調(diào)整成像物鏡獲得液滴清晰完整的靜態(tài)圖像。進(jìn)一步使旋轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，帶動(dòng)一維平移臺(tái)傾斜，使一維平移臺(tái)上樣品表面的液滴發(fā)生黏滯變形直至滾動(dòng)，利用CCD相機(jī)實(shí)時(shí)拍攝液滴形態(tài)的變化過(guò)程，提供給計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像分析和數(shù)據(jù)處理。

5部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖8和圖9分別為利用裝置測(cè)量?jī)煞N不同材料表面接觸角的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)中擬測(cè)量的液體為水，液滴體積均為10 μL。由于CCD相機(jī)和光學(xué)成像系統(tǒng)均有一定的視場(chǎng)角，因此在測(cè)量過(guò)程中，應(yīng)仔細(xì)調(diào)整被測(cè)樣品和成像系統(tǒng)之間的相對(duì)高度，確保以平視的方式進(jìn)行拍攝。利用相機(jī)拍攝的液滴形狀圖像，可采用多種方法確定表面接觸角。

對(duì)于液滴體積非常小、液滴形狀接近球缺的情況，可采用測(cè)高法，測(cè)量球缺的高度和底端圓直徑，根據(jù)圖5和式（2）所示接觸角與球缺高度和底端圓直徑的關(guān)系計(jì)算表面接觸角。

更普遍的情況是，液滴在樣品表面上處于靜態(tài)時(shí)的形狀隨液滴體積大小和樣品材料本身潤(rùn)濕性的不同有很大差異，會(huì)明顯偏離球體形狀。這種情況下，可以采用量角法，從固液氣三相交界處分別引出固液界面與液氣界面的切線，測(cè)量這兩個(gè)關(guān)鍵切線之間的夾角，獲得接觸角的值。該方法不需考慮整個(gè)液滴的輪廓形狀[15]，不但可用于表面為球面的液滴，也可用于表面為非球面的液滴甚至軸不對(duì)稱的液滴，適用范圍不受液滴形狀的限制。

圖8和圖9所示為采用量角法得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在實(shí)驗(yàn)中使用CCD相機(jī)自帶的功能軟件，從三相交界點(diǎn)處人為地引出界面切線，利用相機(jī)軟件自帶的測(cè)角功能，即可得出接觸角大小。圖8為普通窗玻璃材料表面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，圖9是對(duì)拋光后的硅片表面進(jìn)行測(cè)量的結(jié)果。這兩種被測(cè)樣品的接觸角分別為46.3°和35.4°，均遠(yuǎn)小于90°，表明窗玻璃和拋光硅片表面均為非疏水表面。endprint

6結(jié)論

設(shè)計(jì)的用于測(cè)量表面接觸角的簡(jiǎn)易裝置，能夠滿足實(shí)驗(yàn)過(guò)程中快速評(píng)估材料表面接觸角的需求。對(duì)于高精度測(cè)量的需求，除了光機(jī)系統(tǒng)外，還需要依靠多功能專業(yè)軟件進(jìn)行表面形狀的分析和相關(guān)計(jì)算等，許多高級(jí)專業(yè)測(cè)量?jī)x已在此方向上有很大發(fā)展。本裝置相比于市場(chǎng)上已有的成熟的產(chǎn)品和設(shè)備，具有成本低、針對(duì)性強(qiáng)、易于組裝的特點(diǎn)，在對(duì)測(cè)量精度要求不高的情況下，作為昂貴的專用測(cè)量設(shè)備的替代裝置，可滿足實(shí)驗(yàn)過(guò)程中快速獲知材料表面接觸角的需求，既可用于對(duì)新材料未知本征接觸角的測(cè)量，也可用于測(cè)量光學(xué)、化學(xué)等新方法制作的新型自清潔表面的接觸角，為實(shí)驗(yàn)研究過(guò)程提供了一種檢測(cè)手段。

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（編輯：張磊）endprint