Dụng cụ đo góc tiếp xúcNó là một dụng cụ được sử dụng để đo góc tiếp xúc của chất lỏng với chất rắn, chủ yếu được sử dụng để đánh giá độ thấm của chất lỏng với chất rắn, từ đó phân tích độ ẩm, độ sạch, tính đồng nhất và các tính chất vật lý và hóa học của bề mặt rắn như năng lượng tự do. Nó được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khoa học vật liệu, hóa học, sinh học, vi điện tử, công nghệ phủ, v.v.

Bài viết này sẽ phân tích toàn diện các thiết bị đo tiếp tục từ một số mặt sau:

I. Khái niệm cơ bản về góc tiếp xúc

II. Nguyên tắc làm việc của dụng cụ đo góc tiếp xúc

III. Các loại chính của dụng cụ đo góc tiếp xúc

IV. Thành phần và các thành phần chính của thiết bị đo góc tiếp xúc

V. Phương pháp đo góc tiếp xúc

VI. Các bước sử dụng dụng cụ đo góc tiếp xúc

VII. Xử lý và phân tích dữ liệu

VIII. Thận trọng và ứng dụng

I. Khái niệm cơ bản về góc tiếp xúc

Định nghĩa:

Góc tiếp xúc (Contact Angle) đề cập đến góc kẹp giữa tiếp tuyến đường viền của giọt và bề mặt rắn, thường được biểu thị bằng theta, tại điểm giao nhau ba pha lỏng-rắn, lỏng-khí và rắn-khí, khi giọt đạt đến trạng thái cân bằng trên bề mặt rắn.

Tiêu chuẩn phán quyết:

θ<90 °: Liophilic (chất lỏng làm ướt bề mặt rắn, chẳng hạn như giọt nước trên kính sạch)

θ>90 °: Lyophilic (chất lỏng không dễ dàng làm ướt bề mặt rắn, chẳng hạn như thủy ngân trên kính)

θ ≈0 °: ướt

θ ≈180 °: không ướt (siêu kỵ nước)

Ý nghĩa ứng dụng:

Thông qua đo góc tiếp xúc có thể suy ra thông tin về độ ẩm, độ nhám, thành phần hóa học và hiệu quả xử lý bề mặt của bề mặt vật liệu.

Hai,Nguyên tắc làm việc của dụng cụ đo góc tiếp xúc

Máy đo góc tiếp xúc tính toán các thông số hình dạng của giọt dựa trên nguyên tắc hình ảnh quang học và mô hình hình học/cơ học, do đó đẩy ngược kích thước của góc tiếp xúc. Quy trình làm việc cơ bản của nó như sau:

Thêm các giọt nhỏ (thường là 1~10μL) lên bề mặt của mẫu rắn cần kiểm tra;

Sử dụng camera độ phân giải cao để thu thập hình ảnh giọt;

Phần mềm phát hiện cạnh của hình ảnh, trích xuất hồ sơ giọt;

Các góc tiếp xúc được tính toán bằng các thuật toán phù hợp, chẳng hạn như hợp pháp hình tròn, hợp pháp hình elip, hợp pháp phương trình Young Laplace, v.v., dựa trên đường cong đường viền giọt;

Đầu ra kết quả đo lường và có thể phân tích thêm các thông số như năng lượng bề mặt.

III. Các loại chính của dụng cụ đo góc tiếp xúc

Dụng cụ đo góc tiếp xúc tĩnh: Đo góc tiếp xúc của giọt trong trạng thái tĩnh.

Dụng cụ đo góc tiếp xúc động: Đo góc tiến và góc lùi bằng cách nghiêng bảng mẫu hoặc tăng/giảm thể tích giọt để nghiên cứu hiện tượng ẩm ướt và độ trễ.

Máy phân tích năng lượng bề mặt phương pháp treo: Nó được sử dụng để tính toán năng lượng bề mặt rắn bằng cách đo sức căng bề mặt của chất lỏng đẩy ngược hình dạng treo.

Góc tiếp xúc loại lưu biến giao diện: kết hợp góc tiếp xúc động và đặc tính lưu biến mở rộng giao diện, thích hợp để nghiên cứu sự tương tác giữa chất lỏng nhớt và giao diện.

IV. Thành phần và các thành phần chính của thiết bị đo góc tiếp xúc

Bàn mẫu: được sử dụng để cố định mẫu rắn đang được thử nghiệm, thường có chức năng điều chỉnh và sưởi ấm ngang.

Hệ thống thêm chất lỏng: bơm tiêm dấu vết hoặc ống tiêm thủ công để kiểm soát chính xác thể tích giọt.

Hệ thống thu thập hình ảnh: Camera CCD hoặc CMOS HD, kết hợp với ống kính hiển vi để có được hình ảnh giọt.

Nguồn sáng: Cung cấp đèn nền đồng nhất, ổn định (nguồn sáng lạnh LED thông thường), tăng cường độ tương phản cạnh giọt.

Hệ thống kiểm soát môi trường mẫu (tùy chọn): khoang kiểm soát nhiệt độ, kiểm soát độ ẩm, kiểm soát không khí, v.v.

Phần mềm phân tích: để xử lý hình ảnh, trích xuất hồ sơ, tính toán góc tiếp xúc, xuất dữ liệu và tạo báo cáo.

　　
V. Phương pháp đo góc tiếp xúc

Phương pháp nhỏ giọt (Sessile Drop Method)

Đặt giọt trên bề mặt phẳng rắn và đo góc tiếp xúc tĩnh khi nó ổn định.

Thử nghiệm giọt đơn, giọt đa (chất lỏng khác nhau) có thể được thực hiện để so sánh độ ẩm bề mặt.

Phương pháp nghiêng (Tilting Method)

Nghiêng bàn mẫu từ từ sau khi giọt ổn định, ghi lại sự thay đổi góc tiếp xúc ở mép trước và mép sau của giọt, thu được góc tiến và góc lùi.

Được sử dụng để đánh giá độ trễ góc tiếp xúc và sự không đồng đều của bề mặt.

Phương pháp tăng/giảm dịch (Needle in/out method)

Sử dụng kim tiêm để chèn hoặc rút chất lỏng, thay đổi thể tích giọt và quan sát sự thay đổi góc khi đường tiếp xúc di chuyển.

Cũng được sử dụng để xác định các góc tiến và lùi.

Phương pháp giọt treo (Pendant drop method)

Nó được sử dụng để đo sức căng bề mặt chất lỏng, gián tiếp tính toán năng lượng bề mặt rắn.

Không đo tiếp xúc trực tiếp, nhưng thường được sử dụng trong phân tích năng lượng bề mặt.

Phương pháp Wilhelmy Plate

Góc tiếp xúc và năng lượng bề mặt được tính toán bằng cách đo sự thay đổi lực khi các mảnh rắn được ngâm trong chất lỏng.

Thích hợp cho các vật liệu linh hoạt như sợi, phim.

VI. Các bước sử dụng dụng cụ đo góc tiếp xúc

Khởi động khởi động: Bật nguồn sáng, hệ thống camera và máy tính, khởi động từ 10 đến 30 phút để đảm bảo sự ổn định.

Chuẩn bị mẫu:

Đảm bảo bề mặt mẫu sạch sẽ, phẳng và không gây ô nhiễm.

Có thể rửa bằng dung môi (ví dụ: ethanol, acetone) và sấy khô.

Nếu cần kiểm tra nhiệt độ cao, hãy lắp mẫu vào bảng điều khiển nhiệt độ.

Dụng cụ hiệu chuẩn:

Điều chỉnh mức bàn mẫu (sử dụng mức độ hoặc công cụ hiệu chuẩn tích hợp phần mềm).

Tập trung vào hình ảnh để đảm bảo rằng các cạnh của giọt là rõ ràng.

Giọt với giọt:

Sử dụng một ống tiêm nhỏ giọt cộng với một thể tích đã đặt (1~5 μL được khuyến nghị).

Tránh kim chạm vào bề mặt mẫu.

Thu thập hình ảnh:

Chờ cho các giọt ổn định (thường là 5~30 giây) để có được hình ảnh rõ ràng.

Nhiều khung hình có thể được chụp liên tục để tăng độ chính xác.

Tính toán góc:

Phần mềm tự động xác định đường viền giọt, chọn mô hình phù hợp (ví dụ: hình tròn, hình elip, Young Laplace).

Đọc các giá trị góc tiếp xúc bên trái và bên phải, lấy trung bình hoặc ghi riêng.

Kiểm tra động (tùy chọn):

Nghiêng bàn mẫu hoặc thay đổi thể tích giọt, lặp lại các bước trên để đo góc tiến/lùi.

Lưu trữ và phân tích dữ liệu:

Xuất dữ liệu như hình ảnh, giá trị góc, đường cong phù hợp, v.v.

Tiến hành phân tích thống kê hoặc tính toán bề mặt.

Tắt nguồn dọn dẹp: tắt thiết bị, làm sạch bàn mẫu và kim tiêm, đăng ký sử dụng hồ sơ.

VII. Xử lý và phân tích dữ liệu

Mô hình tính toán góc tiếp xúc:

Vòng tròn phù hợp: Thích hợp cho góc tiếp xúc nhỏ (θ<30 °) và giọt gần hình cầu.

Elliptical Fit: Thích hợp cho các góc tiếp xúc trung bình (30 °<θ<120 °), xem xét ảnh hưởng của trọng lực.

Young Laplace Fit: Chính xác, thích hợp cho các giọt lớn, góc tiếp xúc lớn hoặc hình dạng phức tạp, cân nhắc cân bằng sức căng bề mặt với trọng lực.

Bề mặt có thể ước tính:

Năng lượng bề mặt rắn và các thành phần phân cực/phân tán của nó được đảo ngược bằng nhiều dữ liệu góc tiếp xúc chất lỏng bằng cách sử dụng các phương pháp Owens-Wendt, Van Oss, Zisman, v.v.

Phân tích độ trễ góc tiếp xúc:

Độ trễ=Góc tiến - Góc lùi phản ánh độ nhám bề mặt, không đồng đều hóa học hoặc ảnh hưởng của lớp hấp phụ.

VIII. Thận trọng và ứng dụng

Chú ý:

Bề mặt mẫu phải sạch sẽ và khô ráo để tránh lỗi do ô nhiễm.

Thể tích giọt nên vừa phải, quá lớn bị ảnh hưởng đáng kể bởi trọng lực, quá nhỏ thì viền bị mờ.

Rung động môi trường, luồng không khí, biến động nhiệt độ sẽ ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo và cần hoạt động trong môi trường ổn định.

Nhiều phép đo lấy giá trị trung bình, cải thiện tính lặp lại.

Kết quả của các phương pháp phù hợp khác nhau có thể khác nhau và mô hình phù hợp cần được lựa chọn theo hình dạng giọt và lý thuyết.

Lĩnh vực ứng dụng:

Đánh giá sửa đổi bề mặt vật liệu (ví dụ: xử lý plasma, lớp phủ, cấu trúc nano)

Vật liệu siêu kỵ nước/siêu ưa nước R&D (ví dụ: bề mặt tự làm sạch, kính chống sương mù)

Phân tích khả năng tương thích vật liệu sinh học (ví dụ: gắn tế bào, hấp thụ protein)

Tách dầu và nước, thiết kế thiết bị vi lỏng

Tối ưu hóa quy trình in, phủ, dán

Kiểm tra chất lượng làm sạch wafer bán dẫn

Nghiên cứu trải rộng về mỹ phẩm, chế phẩm dược phẩm

tổng kết

Máy đo góc tiếp xúc là một công cụ phân tích bề mặt có độ chính xác cao, không phá hủy, cốt lõi của nó nằm ở việc nắm bắt hình thái giọt bằng các phương tiện quang học và tính toán góc tiếp xúc kết hợp với mô hình toán học. Nắm vững nguyên tắc làm việc, phương pháp sử dụng chính xác và kỹ năng phân tích dữ liệu là rất quan trọng để đánh giá và tối ưu hóa hiệu suất bề mặt vật liệu. Với tiến bộ công nghệ, thiết bị đo góc tiếp xúc hiện đại đã tích hợp các chức năng như tự động hóa, nhiệt độ cao và áp suất cao, kiểm soát môi trường và trở thành thiết bị trong nghiên cứu khoa học và kiểm tra chất lượng công nghiệp.