Góc tiếp xúc/Máy căng bề mặt: Phân tích toàn diện từ nguyên tắc đến ứng dụng

Góc tiếp xúc và sức căng bề mặt là các thông số cốt lõi của khoa học bề mặt vật liệu, trước đây phản ánh độ ẩm của chất lỏng đối với chất rắn, sau này đặc trưng cho sự gắn kết giữa các phân tử trên bề mặt chất lỏng. Góc tiếp xúc/máy đo độ căng bề mặt chuyển đổi hình thái giọt vi mô thành dữ liệu định lượng thông qua hình ảnh quang học và kỹ thuật mô hình toán học.

I. Nguyên tắc thử nghiệm: Định lượng chính xác dựa trên cơ học giao diện

Phương trình Young và phán đoán ướt

Khi các giọt tiếp xúc với bề mặt rắn, lực căng giao diện ba pha rắn-lỏng-khí đạt đến trạng thái cân bằng, tạo thành góc tiếp xúc θ. Phương trình Young (γ_sv=γ_sl+γ_lv cosθ) tiết lộ mối quan hệ giữa góc tiếp xúc với năng lượng tự do của bề mặt: θ<90 ° là bề mặt ưa nước (như nước trải dài trên kính) và θ>90 ° là bề mặt ưa nước (như nước co lại trên lá sen). Phương trình này là cơ sở lý thuyết cho phép đo góc tiếp xúc.

Góc tiếp xúc động và hiện tượng trễ

Bằng cách kiểm soát quá trình lan rộng và rút lại của các giọt, góc tiếp xúc phía trước (khu vực chất lỏng không bị ướt) và tiếp xúc phía sau (khu vực chất lỏng đã bị ướt) có thể được đo. Độ trễ góc tiếp xúc (Δθ=θ_adv-θ_rec) càng lớn, cho thấy độ nhám bề mặt hoặc sự không đồng đều hóa học càng đáng kể. Ví dụ, các bề mặt siêu kỵ nước (θ>150 °) thường có góc trễ nhỏ hơn 5 °, trong khi các bề mặt kim loại thô có thể có góc trễ hơn 30 °.

Phương pháp đo độ căng bề mặt

Phương pháp treo: Sức căng bề mặt được tính bằng cách phân tích các thông số hình học của đường viền giọt, chẳng hạn như tỷ lệ đường kính D/d, kết hợp với phương trình Young-Laplace. Phương pháp này phù hợp với kim loại nóng chảy ở nhiệt độ cao hoặc chất lỏng ăn mòn.

Phương pháp tấm bạch kim: Tấm bạch kim được xử lý bằng cách phun cát được ngâm trong chất lỏng và khi sức căng bề mặt cân bằng với lực đảo ngược của thiết bị, giá trị sức căng bề mặt được chuyển đổi bằng cách ngâm sâu. Kiểm tra nước cất có thể được thực hiện trong 5 giây với độ chính xác ± 0,1mN/m.

II. Quy trình thử nghiệm: Quy trình chuẩn hóa từ chuẩn bị mẫu đến phân tích dữ liệu

Chuẩn bị mẫu và tiền xử lý

Mẫu khối/phim: kích thước cần lớn hơn 2cm × 2cm, lỗi độ phẳng bề mặt ≤5μm. Đối với các bề mặt cong như sợi quang, công nghệ kiểm tra góc tiếp xúc 3D là cần thiết.

Mẫu bột: Sử dụng máy ép viên hồng ngoại để ép thành viên, độ dày ≥1mm. Nếu mẫu dính khuôn, giấy cân có thể được thêm vào bề mặt pad.

Mẫu chất lỏng: Cần ≥1mL để kiểm tra độ căng bề mặt và yêu cầu độ tinh khiết ≥99,9% (như nước cất thứ cấp).

Thuật toán thu thập dữ liệu và phù hợp

Góc tiếp xúc tĩnh: Sử dụng Young-Laplace để hợp pháp (độ chính xác ± 0,5 °) hoặc phương pháp tiếp tuyến (áp dụng cho θ<120 °). Đối với các giọt đối xứng phi trục (ví dụ: chênh lệch góc tiếp xúc trái/phải>10 °), bạn cần sử dụng thuật toán ADSA-RealDrop.

Góc tiếp xúc động: Đo góc lăn bằng bàn nghiêng (0-90 °) hoặc kiểm soát tốc độ thay đổi thể tích giọt (0,1-10 μL/s) để chụp góc tiến/lùi.

Tính toán năng lượng tự do bề mặt: Dựa trên mô hình Owens-Wendt (đối với bề mặt phân cực/không phân cực) hoặc mô hình Fowkes (đối với bề mặt năng lượng thấp), góc tiếp xúc của ít nhất 3 chất lỏng có sức căng bề mặt đã biết (ví dụ: nước, ****, ethylene glycol) cần được đo.