7 sposobów pomiaru kąta zwilżania

 

Zwilżalność jest czynnikiem decydującym w wielu zastosowaniach, od powłok po ulepszone odzyskiwanie ropy naftowej, implanty medyczne i pestycydy. Ze względu na szeroki zakres zastosowań pomiar zwilżalności, tj. pomiar kąta zwilżania, można wykonać kilkoma różnymi metodami.

 

Kropla spoczywająca

Kropla spoczywająca jest najczęściej stosowaną metodą pomiaru kąta zwilżania. Wykonuje się ją za pomocą tensjometru optycznego, który obejmuje zarówno instrumenty ręczne, jak i systemy całkowicie zautomatyzowane. W metodzie kropli siedzącej kroplę, zwykle wodę, umieszcza się na próbce ciała stałego, a obraz kropli jest wykonywany przez kamerę o wysokiej rozdzielczości. Następnie kąt zwilżania jest automatycznie określany przez oprogramowanie.

Pomiar kropli spoczywającej daje tzw. statyczny kąt zwilżania powierzchni. Pomiary kropli siedzącej są najczęściej wykonywane z wodą. Jeśli kąt zwilżania wodą jest mniejszy niż 90 stopni, powierzchnię uważa się za hydrofilową, a jeśli kąt zwilżania jest większy niż 90 stopni, powierzchnię uważa się za hydrofobową. Hydrofilowość i hydrofobowość są ważne w wielu zastosowaniach. Pomiar kąta zwilżania wodą jest często stosowany w celach kontroli jakości, ponieważ oferuje szybki i nieniszczący sposób sprawdzenia chemii powierzchni. Siedząca kropla jest również często wykorzystywana do obliczeń swobodnej energii powierzchni.

 

Typowe zastosowania: Obliczenia swobodnej energii powierzchni, Kontrola jakości, optymalizacja obróbki powierzchni

 

Rosnące i mające kąty zwilżania metodą igłową

Tak zwana metoda igłowa oferuje sposób pomiaru rosnących i malejących kątów zwilżania. W tej metodzie igła jest zbliżana do powierzchni. Rozmiar kropli, najczęściej wody, jest stopniowo zwiększany poprzez pompowanie większej ilości cieczy do kropli. Gdy linia bazowa kropli zaczyna się przesuwać, mierzony jest przesuwający się kąt zwilżania. Następnie rozmiar kropli jest stopniowo zmniejszany poprzez zasysanie cieczy z powrotem do dozownika. Gdy linia bazowa zaczyna się cofać, mierzony jest cofający się kąt zwilżania. Pomiar przesuwających się i cofających się kątów zwilżania jest zawsze zalecany, ale pomiar ten jest szczególnie wykorzystywany do badania zwilżania inteligentnych powierzchni.

 

Typowe zastosowania: Powierzchnie superhydrofobowe

 

Metoda przechyłowa

Metoda przechyłowa to kolejna metoda pomiaru dynamicznego kąta. W tej metodzie kroplę umieszcza się na powierzchni, po czym podłoże jest przechylane, aż kropla zacznie się poruszać. Przechylanie można wykonać albo przechylając stolik próbki, albo przechylając cały instrument. Gdy kropla zaczyna się poruszać, kąt styku przesuwającego się jest mierzony z przodu kropli i cofający się od tyłu kropli. Metoda ta pozwala również określić tzw. kąt roll-off, czyli kąt, pod którym kropla zaczyna się poruszać.

 

Typowe zastosowania: Powierzchnie inteligentne, pomiar przechyłu kąta

 

Metoda uwięzionych pęcherzyków

W metodzie uwięzionych pęcherzyków mierzone są statyczne lub dynamiczne kąty zwilzania, tak aby próbka była zanurzona w cieczy. Cieczą jest najczęściej woda. Pomiary kąta zwilżania są następnie wykonywane przy użyciu pęcherzyka powietrza lub jakiejś mniej gęstej niż woda cieczy, takiej jak olej. Pomiar pęcherzyków zamkniętych umożliwia wykonywanie pomiarów w układach ciało stałe-ciecz-ciecz, co jest szczególnie istotne w badaniach zwilżalności złoża ropy naftowej. Umożliwia również pomiar próbek, które muszą być zanurzone w wodzie w celu przeprowadzenia właściwych pomiarów, takich jak soczewki kontaktowe. W przypadku soczewki kontaktowej pęcherzyk powietrza służy do określenia hydrofilowości powierzchni soczewki.

 

Typowe zastosowanie: Soczewka kontaktowa, powierzchnie superhydrofilowe, zwiększone wydobycie ropy naftowej

 

Płytka Wilhelmy'ego

Płytka Wilhelmy'ego to metoda pomiaru, która jest często stosowana do pomiarów napięcia powierzchniowego, ale może być również dostosowana do pomiaru kąta zwilżania. Metoda jest wykonywana za pomocą tensjometru siłowego. Próbka jest zawieszana na haku, który jest podłączony do bardzo czułej wagi. Następnie próbka jest zanurzana w cieczy (najczęściej w wodzie). Siła wywierana na próbkę jest rejestrowana i na podstawie napięcia powierzchniowego cieczy i wymiarów próbki obliczany jest kąt zwilżania. Metoda płytki Wilhelmy'ego podaje kąt zwilżania postępujący, gdy próbka jest zanurzana, i kąt cofania, gdy próbka jest podnoszona. Ważnym aspektem, który należy tutaj zauważyć, jest to, że kąt styku jest średnią całej zanurzonej powierzchni. Obie strony próbki muszą być identyczne. Ze względu na czułość metody, jest ona często używana do pomiaru kąta styku włókien o średnicach do 7 um.

 

Typowe zastosowania: Włókna (do 7 um)

 

Menisk

Menisk to metoda wykorzystująca optyczny tensjometr do pomiaru kąta styku cienkich obiektów, takich jak włókna. Próbka jest zanurzana w cieczy, która zazwyczaj jest wodą, a następnie podnoszona, tak aby powstał menisk cieczy. Następnie kąt zwilżania jest określany poprzez obserwację kąta, który tworzy się między meniskiem cieczy, a próbką.

Typowe zastosowania: włókna (do 200 um), inne cienkie obiekty

Metoda Washburna

Metoda Washburna opiera się na kapilarnym wzroście cieczy do proszków lub innych porowatych materiałów. Materiał jest najczęściej pakowany do uchwytu ze stali nierdzewnej, który jest zawieszony na haku tensjometru siłowego. Uchwyt z otworami na dole jest następnie zanurzany w cieczy, a pobieranie masy przez proszek jako funkcja czasu jest rejestrowane. Do obliczeń używa się równania Washburna. Ważną rzeczą do odnotowania jest to, że aby móc określić kąt zwilżania dla materiału, najpierw należy wykonać pomiar z całkowicie zwilżoną cieczą, aby określić tzw. stałą materiałową. Stała materiałowa zależy od upakowania materiału w uchwycie. Oznacza to, że metoda upakowania jest jedną z najważniejszych części procesu pomiaru.

Typowe zastosowania: proszki, materiały porowate

Aby dowiedzieć się więcej o różnych metodach pomiaru kąta zwilżania, pobierz dokument, korzystając z poniższego łącza.

POBIERZ Contact angle - What is it and how do you measure it?

na podstawie tekstu Susanny Laurén