稳态接触角测量的影响因素研究

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　　摘 要
　　为获得测量稳态接触角的最佳条件，对钛板、聚乳酸（PLA）的纳米复合材料PLA/OMMT和聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯（PBAT）的纳米复合材料PBAT/OMMT进行接触角测量实验，研究冻结时间（图像采集时间）、液滴体积和光照强度对接触角测量的影响。结果显示，冻结时间为30s、液滴体积为4μl和光照强度为290～445Lux时能够提高接触角的测量精度。此外，实验还对比了不同图像获取方式对接触角测量结果的影响，并分析导致误差的原因。
　　关键词
　　接触角;影响因素;测量;精度
　　中图分类号：  G258.89                    文献标识码： A
　　DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.07.067
　　Abstract
　　In order to obtain the best conditions for measuring the steady-state contact angle，the contact angle measurement experiments of titanium plate，PLA/ OMMT and PBAT/OMMT were carried out， and the effects of freezing time （image acquisition time），droplet volume and light intensity on the contact angle measurement were studied.The results show that the measurement accuracy of contact angle can be improved when the freezing time is 30s， the droplet volume is 4μL and the light intensity is 290-445lux.In addition， the experiment also compared the influence of different image acquisition methods on the measurement results of antennae，and analyzed the causes of errors.
　　Key Words
　　Contact angle;Influencing factors;Measurement;Accuracy
　　0 前言
　　潤湿性[1]作为表征材料表面的重要性质之一，其在服装纺织、建筑幕墙、交通运输、生物医学等方面有广泛的应用。现阶段评价润湿性的最简易手段就是进行接触角的测量。接触角越小，材料表面的润湿性就越好。接触角可分为静态接触角和动态接触角，静态接触角测量时液滴相对材料静止，而动态接触角测量时因存在迟疑现象[9]，液滴相对材料会发生变形。目前，静态接触角的测量过程较简单，且测得的接触角在大多情况下能够满足润湿性的精度要求，因此静态接触角的测量在污水处理、医用器材、自清洁表面、石油工业、防污等各方面都有着广泛的应用。
　　静态接触角的测量方法包括座滴法、称重法、斜板法、插板法、毛细管法和气泡捕获法等。因座滴法的测量步骤较简单，对仪器要求较低，使用最广泛。但是，在用座滴法测量接触角时，极其微小的变化都有可能明显改变测量结果，冻结时间、液滴体积和不同环境下的光照强度等都会对测量结果产生影响，此外，并不是所有的接触角测量实验都可以采用接触角测量仪完成，一些无法使用测量仪的实验往往用数码相机进行拍照，再利用相关软件和算法获得接触角的值。因此通过实验探究接触角测量的影响因素，对研究材料润湿性具有重要意义。
　　1 实验部分
　　使用的实验设备为XG-GAM接触角测量仪，实验所用液体为去离子水，待被测样品分为金属样品和聚合物样品，由钛板、PLA/OMMT和PBAT/OMMT[3]组成。实验时，液滴体积由注射器的刻度控制，冻结时间由计算机控制，样品和液滴图像由安装在测量仪上的摄像头采集，光学图像由CAM7.1接触角测量软件分析。
　　分别对钛板、PLA/OMMT和PBAT/OMMT进行了以下四组实验：（1）液滴体积为2μl，在同一外部环境不同冻结时间下进行了测量，实验结果如图1（a）所示;（2）冻结时间为30s，在同一外部环境不同液滴体积下进行了测量，实验结果如图1（b）所示;（3）液滴体积为4μl，冻结时间为30s，在光亮环境不同光照强度下进行了测量，实验结果如图1（c）所示;（4）液滴体积为4μl，冻结时间为30s，在黑暗环境不同光照强度下进行了测量，实验结果如图1（d）所示。
　　2 结果与讨论
　　由图1（a）可知，Ti的接触角随冻结时间的延长而变小，随后达到一个较稳定的值，一般达到平衡时间为30s。PLA/OM MT和MPBAT/OMMT的接触角随冻结时间的延长几乎不变，就冻结时间而言，聚合物表面比金属表面更稳定。这是由于金属材料表面带有极性基团分子，可以吸引水分子，透过氢键[4]和水形成短暂键结，对水具有亲和力。
　　由图1（b）可知，三种材料的接触角随液滴体积的增大而变小，且液滴体积为4μl时三种材料接触角相对稳定。对比分析，金属表面接触角的大小受液滴体积影响较大，且聚合物的表面比金属表面更稳定，这是由三相接触线的线张力、静摩擦力和液滴自重共同作用的结果。
　　由图1（c）可知，三种材料在光亮环境下的接触角随光照强度的增大而变小，且金属表面比聚合物表面更稳定。 　　图2（a）是Ti在2870Lux光照强度下的接触角测量图，此时受光折射和反射的干扰，液滴边缘轮廓的清晰度下降;图2（b）是Ti在14000Lux光照强度下的接触角测量图，此时液体图像严重失真，所测得的接触角不作为参考。
　　由图1（d）可知，黑暗环境下三种材料的接触角随光照强度的增大而变小，光照强度在290～445Lux之间三种材料的接触角相对稳定，且黑暗环境下生成的液滴图像轮廓更加完整清晰，金属表面比聚合物表面更稳定。
　　3 不同图像获取方式对接触角的影响
　　很多情况下接触角的值都是借用接触角测量仪完成的，但有些情况不能使用该仪器进行实验，如材料表面积过大且不能切割取样，或者液滴体积过大等，对于这些情况本文采用数码相机拍摄图像，solidworks软件分析图像，量高法计算接触角的方式进行测量。
　　量高法[5]又称θ/2法[6]或高宽法[7]，是常用的接触角分析方法之一，其基本原理为，假设液滴形状为球体的一部分，如图3所示，其轮廓满足某个圆方程，底和高的顶点确定一个内接三角形，利用圆内三角形的有关性质与接触角的角度关系即可计算出接触角的值。该方法需要对液滴图像人工取点（内接三角形的三个顶点A、B和C），数码相机拍摄的彩色图像与接触角测量仪获得的黑白图像有不同的视觉感受，两种方法得到的接触角的值存在误差。
　　液滴体积为4μl，冻结时间为30s，用接触角测量仪和数码相机在同一外部环境下分别对钛板、PLA/OMMT和PBAT/OMMT进行拍摄获得图像，并分别计算接触角的值。将数码相机拍摄的图像导入Solidworks中，如图4所示，利用Solidworks中的测量工具依据量高法的基本原理测得数据并计算接触角的值，将得到的值与接触角测量仪测得的值进行比较，研究不同图像获取方式对接触角的影响，实验结果如表1所示。
　　由表1可知，Ti的误差为0.262°，PLA/OMMT的误差为2.3°，PBAT/OMMT的误差为-0.963°，数码相机拍摄图像测得的值与接触角测量仪测得值存在-1°～3°的误差，导致误差的原因主要有以下三个方面。
　　（1）图像清晰度不够：如图5（a）所示，可以清楚地看出数码相机拍摄的图像清晰度不够，导致液滴边缘锐化严重，肉眼很难精确捕捉到固-液-气三相[1]的交点，用Solidworks软件进行测量时，其底的测量存在误差，导致接触角的测量值存在误差。
　　（2）拍摄角度不正确：如图5（b）所示，液滴形状为两头尖尖的椭圆形，这是因为数码相机拍摄图像时镜头与材料表面不在同一水平线上或镜头平面与材料表面不垂直，用Solidworks软件进行测量时，其高的测量存在误差，导致接触角的测量值存在误差。
　　（3）光反射和折射的存在：如图5（c）所示，图像左侧偏白，这是由于数码相机拍摄液滴时存在光的折射，液滴图像上边缘与背景融合，肉眼很难精确捕捉到液滴的高，其高的测量存在误差。其次，材料表面存在光的反射，肉眼很难精确捕捉到液滴的底，其底的测量存在误差，结合折射与反射两方面导致接触角的测量值存在误差。
　　4 结论
　　本文采用三种材料，钛板、PLA/OMMT和PBAT/OMMT进行接触角测量，研究了接触角随冻结时间（图像采集时间）、液滴体积和不同环境下光照强度的变化关系，对比分析了数码相机与接触角测量仪不同图像获取方式对接触角的值的影响，得出以下结论：
　　（1）液滴在金属和聚合物表面的接触角随时间的延长而变小，随后达到一个较稳定的值，一般达到平衡时间为30s。众多影响因素中，冻结时间对金属表面的接触角影响最大，这是因为金屬表面极性基团分子与水形成的键结具有亲水性，一定时间内，液滴在金属表面不断扩展开。进一步分析冻结时间对接触角的影响，还可能与固液界面极性相互作用有关，可做下一阶段的研究。
　　（2）液滴在金属和聚合物表面的接触角随液滴体积的增大而变小，这是由三相接触线的线张力、静摩擦力和液滴自重共同作用的结果，实验表明，液滴在4μl体积下测得接触角的值较准确。
　　（3）在黑暗环境与光亮环境下分别进行接触角测量，对比分析，同样光照强度的黑暗环境下生成的液滴图像轮廓更加完整清晰，测得的接触角变化幅度更小，结果更趋于真实值，且在光照强度为290～445Lux下进行测量比较精确。
　　（4）数码相机拍摄图像计算的结果与接触角测量仪测量的结果存在-1°～3°的误差，误差的产生主要有三个方面：图像清晰度不够、拍摄角度不正确和光折射和反射的存在。
　　参考文献
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