[发明专利]一种基于三维空间倾斜角度修正的测度本征接触角的测试方法

说明书

本发明公开了一种基于三维空间倾斜角度修正的测度本征接触角的测试方法，属于界面化学分析测试技术领域。包括联立接触角计算方程组、倾斜角度的获取、倾斜角度的修正和本征接触角的计算，在进行接触角计算时，对样品表面的倾斜角度进行修正，采用修正重力系数后，得到液滴的本征接触角值。本发明解决了目前表观接触角测量中无法用于准确评估固体材料的真实接触角的问题，提升接触角值的测值精度，评估固体材料由于表面粗糙度、化学多样性以及异构性导致的接触角滞后现象。

技术领域

本发明涉及一种基于三维空间倾斜角度修正的测度本征接触角的测试方法，属于界面化学分析测试技术领域。

背景技术

接触角及表面张力是表征材料物理化学性质的重要指标之一。其中，接触角值是表征固体材料物理化学性质的重要指标。如图1所示，接触角、表面张力以及界面张力的关系式通常为Young氏方程，式中，θ为接触角，γS为固体的表面张力值(表面自由能surfaceenergy)，γL为固体的表面张力值，γSL为固体与液体的界面张力值，γS为γL·cosθ+γSL。目前的接触角测量的方法通常为影像法(通过视频摄像机拍摄液滴在固体材料上形成的小液滴的图像的方法)和Wilhelmy Plate称重法(通过表面张力力学方程，采用分析天平或称重传感器，计算得到接触角值的方法)。其中，以影像法由于其直观性以及测值可靠性的优势，被广泛采用。

目前的接触角测量方法均是表观形态下的接触角测量，如图2.a所示。而事实上，液滴在固体表面通常会出现Wenzel(图2.b)或Cassie(图2.c)现象，因而表观接触角的测量方法无法适用于固体材料的科学性性意义上或更高精度意义上的评估。专利201110244512.9《液滴影像法界面流变测试方法和装置》中，本公司提出了一种基于Young-Laplace方程拟合得到界面张力及接触角测量方法，在拟合方法中采用经验值判断的轴对称液体界面拟合算法，即基于经验判断的一定范围内的轮廓顶点曲率半径不受界面张力影响时，先拟合得到某局部范围内的顶点曲率半径后，通过第二次拟合得到相应的界面张力及接触角的方法。专利201410265907.0《超高压、高温下测试接触角和界面张力的装置和方法》中，本公司进一步提出了真实液滴法(RealDrop)和图像轮廓法(DIPM)两种拟合算法用于测量界面张力值及接触角值。其他的接触角测量方法，如商业化仪器中广泛采用的Young-Laplace方程拟合法，采用了基于邦德系数(Bond Number)，且通过特征的点(如顶点位置倾斜画出30、45、60度三个不同倾斜线(BIHAI SONG AND JURGEN SPRINGER，《Determination of Interfacial Tension from the Profile of a Pendant DropUsing Computer-Aided Image Processing》，JOURNAL OF COLLOID AND INTERFACESCIENCE 184,第64–76页(1996))或以液滴最宽与高度法WH线(F.K.HANSEN ANDG.RODSRUD，《Surface Tension by Pendant Drop》，Journal of Colloid and InterfaceScience,Vol.141,No.I,第1-9页，January 1991)，拟合Young-Laplace方程拟合法。

在变换坐标体系时，目前Young-Laplace方程拟合测量界面张力或接触角的算法通常采用将坐标体系变换为与固体样品垂直的体系(BIHAI SONG AND JURGEN SPRINGER，《Determination of Interfacial Tension from the Profile of a Pendant DropUsing Computer-Aided Image Processing》，JOURNAL OF COLLOID AND INTERFACESCIENCE 184,第67页(1996))。如图6所示，进行垂直固体表面的坐标体系的变换后，最以此为最高点顶点拟合的曲率半径及其最后得到的角度值由于重力作用力的方向不同，得到的接触角角度值并非本征接触角值。