錢小龍 李杰

摘 要

為獲得測(cè)量穩(wěn)態(tài)接觸角的最佳條件，對(duì)鈦板、聚乳酸（PLA）的納米復(fù)合材料PLA/OMMT和聚己二酸/對(duì)苯二甲酸丁二酯（PBAT）的納米復(fù)合材料PBAT/OMMT進(jìn)行接觸角測(cè)量實(shí)驗(yàn)，研究?jī)鼋Y(jié)時(shí)間（圖像采集時(shí)間）、液滴體積和光照強(qiáng)度對(duì)接觸角測(cè)量的影響。結(jié)果顯示，凍結(jié)時(shí)間為30s、液滴體積為4μl和光照強(qiáng)度為290～445Lux時(shí)能夠提高接觸角的測(cè)量精度。此外，實(shí)驗(yàn)還對(duì)比了不同圖像獲取方式對(duì)接觸角測(cè)量結(jié)果的影響，并分析導(dǎo)致誤差的原因。

關(guān)鍵詞

接觸角;影響因素;測(cè)量;精度

中圖分類號(hào)： ?G258.89 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： 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(rùn)濕性[1]作為表征材料表面的重要性質(zhì)之一，其在服裝紡織、建筑幕墻、交通運(yùn)輸、生物醫(yī)學(xué)等方面有廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)階段評(píng)價(jià)潤(rùn)濕性的最簡(jiǎn)易手段就是進(jìn)行接觸角的測(cè)量。接觸角越小，材料表面的潤(rùn)濕性就越好。接觸角可分為靜態(tài)接觸角和動(dòng)態(tài)接觸角，靜態(tài)接觸角測(cè)量時(shí)液滴相對(duì)材料靜止，而動(dòng)態(tài)接觸角測(cè)量時(shí)因存在遲疑現(xiàn)象[9]，液滴相對(duì)材料會(huì)發(fā)生變形。目前，靜態(tài)接觸角的測(cè)量過(guò)程較簡(jiǎn)單，且測(cè)得的接觸角在大多情況下能夠滿足潤(rùn)濕性的精度要求，因此靜態(tài)接觸角的測(cè)量在污水處理、醫(yī)用器材、自清潔表面、石油工業(yè)、防污等各方面都有著廣泛的應(yīng)用。

靜態(tài)接觸角的測(cè)量方法包括座滴法、稱重法、斜板法、插板法、毛細(xì)管法和氣泡捕獲法等。因座滴法的測(cè)量步驟較簡(jiǎn)單，對(duì)儀器要求較低，使用最廣泛。但是，在用座滴法測(cè)量接觸角時(shí)，極其微小的變化都有可能明顯改變測(cè)量結(jié)果，凍結(jié)時(shí)間、液滴體積和不同環(huán)境下的光照強(qiáng)度等都會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響，此外，并不是所有的接觸角測(cè)量實(shí)驗(yàn)都可以采用接觸角測(cè)量?jī)x完成，一些無(wú)法使用測(cè)量?jī)x的實(shí)驗(yàn)往往用數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行拍照，再利用相關(guān)軟件和算法獲得接觸角的值。因此通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究接觸角測(cè)量的影響因素，對(duì)研究材料潤(rùn)濕性具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

使用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備為XG-GAM接觸角測(cè)量?jī)x，實(shí)驗(yàn)所用液體為去離子水，待被測(cè)樣品分為金屬樣品和聚合物樣品，由鈦板、PLA/OMMT和PBAT/OMMT[3]組成。實(shí)驗(yàn)時(shí)，液滴體積由注射器的刻度控制，凍結(jié)時(shí)間由計(jì)算機(jī)控制，樣品和液滴圖像由安裝在測(cè)量?jī)x上的攝像頭采集，光學(xué)圖像由CAM7.1接觸角測(cè)量軟件分析。

分別對(duì)鈦板、PLA/OMMT和PBAT/OMMT進(jìn)行了以下四組實(shí)驗(yàn)：（1）液滴體積為2μl，在同一外部環(huán)境不同凍結(jié)時(shí)間下進(jìn)行了測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1（a）所示;（2）凍結(jié)時(shí)間為30s，在同一外部環(huán)境不同液滴體積下進(jìn)行了測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1（b）所示;（3）液滴體積為4μl，凍結(jié)時(shí)間為30s，在光亮環(huán)境不同光照強(qiáng)度下進(jìn)行了測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1（c）所示;（4）液滴體積為4μl，凍結(jié)時(shí)間為30s，在黑暗環(huán)境不同光照強(qiáng)度下進(jìn)行了測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1（d）所示。

2 結(jié)果與討論

由圖1（a）可知，Ti的接觸角隨凍結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)而變小，隨后達(dá)到一個(gè)較穩(wěn)定的值，一般達(dá)到平衡時(shí)間為30s。PLA/OM MT和MPBAT/OMMT的接觸角隨凍結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)幾乎不變，就凍結(jié)時(shí)間而言，聚合物表面比金屬表面更穩(wěn)定。這是由于金屬材料表面帶有極性基團(tuán)分子，可以吸引水分子，透過(guò)氫鍵[4]和水形成短暫鍵結(jié)，對(duì)水具有親和力。

由圖1（b）可知，三種材料的接觸角隨液滴體積的增大而變小，且液滴體積為4μl時(shí)三種材料接觸角相對(duì)穩(wěn)定。對(duì)比分析，金屬表面接觸角的大小受液滴體積影響較大，且聚合物的表面比金屬表面更穩(wěn)定，這是由三相接觸線的線張力、靜摩擦力和液滴自重共同作用的結(jié)果。

由圖1（c）可知，三種材料在光亮環(huán)境下的接觸角隨光照強(qiáng)度的增大而變小，且金屬表面比聚合物表面更穩(wěn)定。

圖2（a）是Ti在2870Lux光照強(qiáng)度下的接觸角測(cè)量圖，此時(shí)受光折射和反射的干擾，液滴邊緣輪廓的清晰度下降;圖2（b）是Ti在14000Lux光照強(qiáng)度下的接觸角測(cè)量圖，此時(shí)液體圖像嚴(yán)重失真，所測(cè)得的接觸角不作為參考。

由圖1（d）可知，黑暗環(huán)境下三種材料的接觸角隨光照強(qiáng)度的增大而變小，光照強(qiáng)度在290～445Lux之間三種材料的接觸角相對(duì)穩(wěn)定，且黑暗環(huán)境下生成的液滴圖像輪廓更加完整清晰，金屬表面比聚合物表面更穩(wěn)定。

3 不同圖像獲取方式對(duì)接觸角的影響

很多情況下接觸角的值都是借用接觸角測(cè)量?jī)x完成的，但有些情況不能使用該儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如材料表面積過(guò)大且不能切割取樣，或者液滴體積過(guò)大等，對(duì)于這些情況本文采用數(shù)碼相機(jī)拍攝圖像，solidworks軟件分析圖像，量高法計(jì)算接觸角的方式進(jìn)行測(cè)量。

量高法[5]又稱θ/2法[6]或高寬法[7]，是常用的接觸角分析方法之一，其基本原理為，假設(shè)液滴形狀為球體的一部分，如圖3所示，其輪廓滿足某個(gè)圓方程，底和高的頂點(diǎn)確定一個(gè)內(nèi)接三角形，利用圓內(nèi)三角形的有關(guān)性質(zhì)與接觸角的角度關(guān)系即可計(jì)算出接觸角的值。該方法需要對(duì)液滴圖像人工取點(diǎn)（內(nèi)接三角形的三個(gè)頂點(diǎn)A、B和C），數(shù)碼相機(jī)拍攝的彩色圖像與接觸角測(cè)量?jī)x獲得的黑白圖像有不同的視覺(jué)感受，兩種方法得到的接觸角的值存在誤差。

液滴體積為4μl，凍結(jié)時(shí)間為30s，用接觸角測(cè)量?jī)x和數(shù)碼相機(jī)在同一外部環(huán)境下分別對(duì)鈦板、PLA/OMMT和PBAT/OMMT進(jìn)行拍攝獲得圖像，并分別計(jì)算接觸角的值。將數(shù)碼相機(jī)拍攝的圖像導(dǎo)入Solidworks中，如圖4所示，利用Solidworks中的測(cè)量工具依據(jù)量高法的基本原理測(cè)得數(shù)據(jù)并計(jì)算接觸角的值，將得到的值與接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)得的值進(jìn)行比較，研究不同圖像獲取方式對(duì)接觸角的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

由表1可知，Ti的誤差為0.262°，PLA/OMMT的誤差為2.3°，PBAT/OMMT的誤差為-0.963°，數(shù)碼相機(jī)拍攝圖像測(cè)得的值與接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)得值存在-1°～3°的誤差，導(dǎo)致誤差的原因主要有以下三個(gè)方面。

（1）圖像清晰度不夠：如圖5（a）所示，可以清楚地看出數(shù)碼相機(jī)拍攝的圖像清晰度不夠，導(dǎo)致液滴邊緣銳化嚴(yán)重，肉眼很難精確捕捉到固-液-氣三相[1]的交點(diǎn)，用Solidworks軟件進(jìn)行測(cè)量時(shí)，其底的測(cè)量存在誤差，導(dǎo)致接觸角的測(cè)量值存在誤差。

（2）拍攝角度不正確：如圖5（b）所示，液滴形狀為兩頭尖尖的橢圓形，這是因?yàn)閿?shù)碼相機(jī)拍攝圖像時(shí)鏡頭與材料表面不在同一水平線上或鏡頭平面與材料表面不垂直，用Solidworks軟件進(jìn)行測(cè)量時(shí)，其高的測(cè)量存在誤差，導(dǎo)致接觸角的測(cè)量值存在誤差。

（3）光反射和折射的存在：如圖5（c）所示，圖像左側(cè)偏白，這是由于數(shù)碼相機(jī)拍攝液滴時(shí)存在光的折射，液滴圖像上邊緣與背景融合，肉眼很難精確捕捉到液滴的高，其高的測(cè)量存在誤差。其次，材料表面存在光的反射，肉眼很難精確捕捉到液滴的底，其底的測(cè)量存在誤差，結(jié)合折射與反射兩方面導(dǎo)致接觸角的測(cè)量值存在誤差。

4 結(jié)論

本文采用三種材料，鈦板、PLA/OMMT和PBAT/OMMT進(jìn)行接觸角測(cè)量，研究了接觸角隨凍結(jié)時(shí)間（圖像采集時(shí)間）、液滴體積和不同環(huán)境下光照強(qiáng)度的變化關(guān)系，對(duì)比分析了數(shù)碼相機(jī)與接觸角測(cè)量?jī)x不同圖像獲取方式對(duì)接觸角的值的影響，得出以下結(jié)論：

（1）液滴在金屬和聚合物表面的接觸角隨時(shí)間的延長(zhǎng)而變小，隨后達(dá)到一個(gè)較穩(wěn)定的值，一般達(dá)到平衡時(shí)間為30s。眾多影響因素中，凍結(jié)時(shí)間對(duì)金屬表面的接觸角影響最大，這是因?yàn)榻饘俦砻鏄O性基團(tuán)分子與水形成的鍵結(jié)具有親水性，一定時(shí)間內(nèi)，液滴在金屬表面不斷擴(kuò)展開。進(jìn)一步分析凍結(jié)時(shí)間對(duì)接觸角的影響，還可能與固液界面極性相互作用有關(guān)，可做下一階段的研究。

（2）液滴在金屬和聚合物表面的接觸角隨液滴體積的增大而變小，這是由三相接觸線的線張力、靜摩擦力和液滴自重共同作用的結(jié)果，實(shí)驗(yàn)表明，液滴在4μl體積下測(cè)得接觸角的值較準(zhǔn)確。

（3）在黑暗環(huán)境與光亮環(huán)境下分別進(jìn)行接觸角測(cè)量，對(duì)比分析，同樣光照強(qiáng)度的黑暗環(huán)境下生成的液滴圖像輪廓更加完整清晰，測(cè)得的接觸角變化幅度更小，結(jié)果更趨于真實(shí)值，且在光照強(qiáng)度為290～445Lux下進(jìn)行測(cè)量比較精確。

（4）數(shù)碼相機(jī)拍攝圖像計(jì)算的結(jié)果與接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)量的結(jié)果存在-1°～3°的誤差，誤差的產(chǎn)生主要有三個(gè)方面：圖像清晰度不夠、拍攝角度不正確和光折射和反射的存在。

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