用液体针头替代传统固体针头测量接触角

用液体针头替代传统固体针头测量接触角

在接触角测量领域，传统的固体针头滴定方式存在一些局限性，尤其是在测量超疏水表面时。为了解决这些问题，KRÜSS开发了一种基于液体射流的新型滴定技术。本文将详细介绍这种新技术的原理、实验方法以及与传统固体针头滴定方式的比较研究结果。

背景

接触角测量是研究和描述表界面现象的基本技术，在多个工业领域中被广泛应用。然而，传统的固体针头滴定方式在测量超疏水表面时存在一些局限性。例如，不同操作者可能会得到不同的接触角结果，且滴定速度较慢。

为了解决这些问题，KRÜSS开发了一种基于压力的定量滴定技术，该技术可以在基板上用界限清晰的液体射流（简称液体针）来构建液滴。这种液体针被优化成尽可能小心地滴落一滴液滴，避免了传统针头可能带来的误差。

实验部分

为了验证新技术的准确性，研究人员对14种不同样品进行了接触角测量，包括：

• 亲水表面（玻璃，智能手机显示屏）
• 疏水表面（P2i超疏水纸，聚二甲基硅氧烷PDMS）
• 聚合物（聚乙烯PE，聚丙烯PP，聚酰胺PA6）
• 硅晶圆（晶圆1，晶圆2）
• 在SiO2上的自组装单层膜（二氯二甲基硅烷DDMS，氨丙基三甲氧基硅烷APTMS）
• 粗糙的表面（DDMS硅烷化的砂纸，粒度尺寸分别为500、1000和1500）

所有测量均在相同的环境条件下进行，使用液滴形状分析仪（DSA100）和ADVANCE软件进行数据处理。

结果与讨论

实验结果表明，液体针头滴定技术与传统固体针头滴定技术获得的接触角结果基本一致，且具有较小的标准偏差。具体来说：

• 对于所有样品，两种滴定方式均具有可比的接触角和较小的标准偏差。
• 在高接触角滞后表面（如PDMS）上，液体针头比固体针头更细致，产生的接触角更高。
• 对于二碘甲烷这种非极性测试液体，两种计量类型也获得了可比较的接触角。
• 在超疏水表面上，液体针头可以更容易地滴定各种体积的液滴，而固体针头则受限于表面的低粘附性。
• 使用液体针头进行自动测量的速度更快，仅需54秒即可完成20个液滴的测量，而固体针头则需要220秒。

结论

这项研究表明，液体针头滴定技术是一种有前景的替代方案，尤其适用于超疏水表面的接触角测量。它不仅提高了测量速度，还减少了操作者的影响，提高了结果的可重复性。这种新技术有望成为光学接触角测量中的另一种标准方法。

参考文献

[1] M. Jin, R. Sanedrin, D. Frese, C. Scheithauer and T. Willers, “Replacing the solid needle by a liquid one when measuring static and advancing contact angles”, Colloid Polym. Sci. 294(4), 657-665, DOI 10.1007/s00396-015-3823-1 (2016).