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视频光学接触角测量仪采用高倍显微镜头测试单纤维的接触角值

视频光学接触角测量仪采用高倍显微镜头测试单纤维的接触角值是目前为止测试单纤维接触角值最好的测量方法。非专业的仪器厂家会建议用户选购微量分析天平1ug的分析天平测试水或树脂在纤维上的润湿速度并采用Washburn渗透法或Wilhlemy plate板法,转换计算得到相应的接触角值。但是这样的方法显然存在的缺陷与科学依据不足在于:

1、测试所得的接触角值与光学法所得的接触角值没有可比性;

2、测试时如果是树脂,会因粘度影响润湿速度,因而,所计算得到的角度值也没有意义;

3、分析天平测试单纤维本身极易弯曲而影响测值。

因而目前最为合理的方法是采用高倍显微镜头,如50倍显微镜头加上0.7-4.5X连续变倍镜头,即可完成3-10um的纤维的接触角测量。如果需要测试超疏水或疏水情况下的接触角值,则需要同时采购纳升或皮升级喷射针头或超细针头。

但是,如上仅仅是完成了纤维测量的硬件部分的功能,事实上,纤维接触角测量的更为重要的关键在于软件部分。目前,绝大多数的商业化的接触角测量仪生产厂仅提供圆、椭圆或Young-Laplace方程拟合法测试接触角值,而在单纤维时,由于在接触到纤维的地方的弧形不再往里收缩,因而,如上的所有方法测值均是无效的。如下图所示:

纤维接触角测量计算方法

在采用KINO的阿莎算法时,液滴轮廓同样没有与拟合的轮廓线重合。

椭圆拟合

椭圆拟合计算纤维接触角

如上两张图片中采用两个不同公司的椭圆拟合法分析纤维的接触角值,显然拟合线与液滴轮廓也根本没有重合。

对另一个样品的纤维接触角图像我们采用阿莎算法进行了拟合分析。结果同样不令人满意。虽然从拟合效果来看,拟合度只是出现了略微的变化。但是,正是这样的轮廓曲线与实际的纤维轮廓曲线的微小变化,会导致测值结果的明显变化。

纤维接触角测量计算方法

 

因而,对于单纤维而言,接触角值的计算方法比硬件更为关键,也更难解决。目前商业化的接触角测量仪厂商通常采用Max HW法,通过计算得到相应的接触角值,详细参考《Contact Angle Measurements on Fibers

and Fiber Assemblies, Bundles,Fabrics, and Textiles》SURFACE AND INTERFACIAL TENSION ~ - Measurement, Theory, and Applications P425。但是这样的简单推导得到的接触角值因其推导过程中的经验因子,而导致测值的误差同样无法得到有效的避免。

根据原著描述,如下图片的测值角度为14-15度左右。

纤维接触角测量计算方法

纤维接触角测量计算方法

美国科诺独创的MicroDrop技术,可以用于评估Wenzel-Cassie模型及其反转条件的临界接触角值。同时,MicroDrop法用于评估纤维接触角具有更为明显的独特优势。如上同样的纤维接触角图片,通过MicroDrop法,能够明显区别出左、右接触角值的差值,同时,提供了一个更为易于接受,没有人为经验修正的纤维接触角的测量结果。接触角左侧为18.496度,右侧为23.284度,平均接触角值为20.89度。

纤维接触角测量计算方法

同时,采用阿莎算法,对于如上示例的纤维接触角进行的测值结果显示为:

纤维接触角测量计算方法

纤维接触角测量计算方法MicroDrop

综合如上可见,目前为止,测试单纤维接触角值的最为科学的技术为光学视频接触角测量仪,采用50倍左右的物镜即可完成相应的测值。而测试接触角最为科学的算法为MicroDrop法,真正符合液滴往外扩张的趋势,测值可靠性也更高。

   
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