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接觸角測量技術對比：懸滴法、座滴法與Wilhelmy板法

來源：時間：2025-04-14 09:21:34 瀏覽：5785次

接觸角測量技術對比：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、化學工程、生物醫學等多個領域發揮著關鍵作用。準確的接觸角數據對于理解液體在固體表面的行為、優化材料表面性能以及開發新型功能材料具有重要意義。在眾多接觸角測量技術中，懸滴法、座滴法與Wilhelmy板法因其獨特的原理和優勢，成為最常用的方法。

一、技術概述

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。當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，當液滴與固體平面接觸時，其最終形狀取決于液滴內部的內聚力和液滴與固體間的粘附力的相對大小。當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，在石油、化工、醫藥、造紙、涂料、農藥、材料粘結劑、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、醫療衛生等眾多領域都有廣泛的應用。

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來測量接觸角。將液體懸掛在一根細管末端，形成液滴，通過改變液滴的體積或觀察角度，利用圖像分析技術測量液滴的輪廓，進而根據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系。

（二）優點

懸滴法的主要優點是避免了固體表面不均勻性帶來的干擾，能夠更準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，不受固體表面微觀結構的影響，因此可以獲得較為純凈的接觸角數據。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變化的關系，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、細管的直徑和材質等，這些因素都需要進行精確的控制和校準。此外，懸滴法對實驗環境的要求較高，需要避免氣流、振動等因素對液滴形態的影響，以確保測量結果的準確性。

（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、粘度等物理性質對接觸角的影響時，懸滴法可以提供準確的數據。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。當液滴處于平衡狀態時，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）優點

座滴法操作簡便，容易實現。只需將液滴放置在固體表面上，即可通過光學系統觀察和測量接觸角。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，導致測量結果出現誤差。固體表面的微觀結構、化學組成、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果產生偏差。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，形狀不穩定；較大的液滴則可能會受到重力的影響，導致接觸角的測量值不準確。

（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，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、質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。等式右側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，并結合已知的液體表面張力和板的幾何參數，可以計算出接觸角θ。

（二）優點

Wilhelmy板法具有測量精度高、適用范圍廣的優點。該方法可以測量液體在固體表面的動態接觸角，包括前進和后退接觸角值，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（或者可以預先知道其變化函數關系）。

（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潤濕行為的場景。例如，在材料科學領域，可以用Wilhelmy板法研究材料的表面改性對其潤濕性的影響；在化學工程領域，可以用于研究液體在多孔材料中的滲透和潤濕行為；在生物醫學領域，可以用于研究生物材料與生物液體的相互作用。

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