測量疏水材料表面動態(tài)接觸角的意義和測量方法

       水在疏水材料表面的動態(tài)接觸角（水滴體積長大/縮小法）對評價材料表面性能具有實(shí)際意義。它突破了靜態(tài)接觸角的局限，能夠定量表征固體表面的微觀不均一性、潤濕動力學(xué)、液滴粘附/滾動/自清潔能力等，動態(tài)接觸角直接反映疏水材料在真實(shí)工況下的防水、防污、抗結(jié)露、抗結(jié)冰等核心應(yīng)用性能。

一、動態(tài)接觸角的測量原理（液滴體積長大/縮小法）

動態(tài)接觸角包括前進(jìn)角θ?、后退角θ?和接觸角滯后Δθ。

前進(jìn)角θ?（液滴體積長大）：緩慢向靜止液滴增加體積，三相接觸線從 “釘扎不動” 到開始向外擴(kuò)展的接觸角，反映液滴在固體表面 “侵入、鋪展” 時的表面阻力，如圖1。

圖1，液滴體積增大，在固體表面不斷擴(kuò)張得到前進(jìn)角θ?

后退角θ?（液滴體積縮小）：緩慢吸減液滴，使之體積減小，三相接觸線從 “釘扎不動” 到開始向內(nèi)收縮時的接觸角，如圖2。

圖2，液滴體積減小，在固體表面不斷回縮得到后退角θ?

接觸角滯后：Δθ=θ??θ?，直接反映材料表面粗糙度、化學(xué)不均勻、缺陷、污染、微結(jié)構(gòu)（Cassie/Wenzel 狀態(tài)）等性能。

二、測量疏水材料動態(tài)接觸角的意義

1、揭示材料表面微觀本質(zhì)，區(qū)分靜態(tài)接觸角無法識別的差異

1）靜態(tài)接觸角只反映固體材料表面與水的 “平衡態(tài)潤濕”，對于靜態(tài)接觸角均較大但動態(tài)行為不同的表面無法區(qū)分，如：Cassie 超疏水 vs Wenzel 偽超疏水。

2）滯后 Δθ 小代表材料表面均勻、光滑、微結(jié)構(gòu)穩(wěn)定（Cassie 態(tài)，空氣墊多、接觸線易滑動）；Δθ 大代表材料表面粗糙、化學(xué)不均、缺陷多、易被液體侵入（Wenzel 態(tài)，接觸線強(qiáng)釘扎、液滴與材料表面粘附力大）。

2、精準(zhǔn)評估疏水/超疏水的核心應(yīng)用性能（自清潔、防水、抗冰）

1）幫助判斷超疏水材料的自清潔能力：θ?越高，Δθ 越小，說明水滴易滾落、易帶走灰塵；自清潔性越好。

    2）幫助判斷材料表面的防水/抗結(jié)露和抗結(jié)冰/防覆冰性能：θ?越大，水滴越難侵入固體表面（防雨水、防霧、防滲透）；θ?越大，水滴越易回縮、不易殘留、越不易結(jié)霜結(jié)冰。θ?越大、Δθ越小，水滴易滾落、不易凍結(jié)成冰、冰層易脫落。

3）幫助判斷材料表面的防污/防粘性能：Δθ越小，液體/污染物越難附著于材料表面、越易清洗，該性能適用于織物、管道、船舶、光伏、建筑外墻等。

3、區(qū)分潤濕狀態(tài)（Cassie 和 Wenzel），指導(dǎo)微結(jié)構(gòu)設(shè)計

1）材料表面Cassie 態(tài)（液滴坐在微結(jié)構(gòu)和空氣墊上）：θ?和θ?都大、Δθ 小、液滴易滾動角小、固-液粘附力低。

    2）材料表面Wenzel 態(tài)（液滴浸入表面微結(jié)構(gòu)凹槽）：θ?大、θ?小、Δθ 大、液滴難滾動、固-液粘附力強(qiáng)、易粘水、易失效。

3）液滴長大/縮小法可捕捉固體表面微觀結(jié)構(gòu) “Cassie → Wenzel” 的潤濕轉(zhuǎn)變臨界條件，指導(dǎo)微納結(jié)構(gòu)（陣列、多孔、仿生）的參數(shù)優(yōu)化（高度、間距、粗糙度、固體分?jǐn)?shù)）。

4. 量化潤濕動力學(xué)，匹配真實(shí)動態(tài)工況

固-液靜態(tài)接觸角是 “靜止平衡”，而實(shí)際應(yīng)用中液體都是動態(tài)接觸，如：雨水沖刷、噴霧、流動冷凝、振動、傾斜等，只有動態(tài)前進(jìn) / 后退角才能反映材料在實(shí)際應(yīng)用中的具體情況，如：液體在表面的鋪展、回縮、滑移、飛濺、殘留等行為。

5. 質(zhì)量控制與材料壽命評估，量化表面老化/污染/損傷等

1）對比新制備與應(yīng)用過的疏水材料表面的變化，如：θ?和θ?減小、Δθ 急劇增大，更能快速反映材料的老化/污染/磨損/腐蝕等，因?yàn)?/span>動態(tài)參數(shù)比靜態(tài)接觸角更敏感、能更早預(yù)警性能衰減。

2）可對一些材料建立可量化的標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)材料的批次一致性、耐久性、可靠性檢測。

三、動態(tài)接觸角測量

1）實(shí)驗(yàn)基本信息

固體樣品：疏水固材料

液體樣品：超純水

測量儀器：德國dataphysics 公司OCA 50 全自動接觸角測量儀，圖3。 

圖3， OCA 50接觸角測量儀，搭載高精度液滴注射系統(tǒng)、高分辨率光學(xué)成像系統(tǒng)與圖像分析模塊

2）實(shí)驗(yàn)

將固體樣品置于儀器樣品臺上，通過高精度注射單元向樣品表面注射定量超純水液滴，待液滴靜置穩(wěn)定后，以1微升/秒速率增大和減小水滴體積，自動采集水滴在固體表面鋪展和回縮全過程圖像，并自動計算前進(jìn)角θ?和后退角θ?。

采用以上方法重復(fù)測量三次平行實(shí)驗(yàn)。

3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

軟件中分別顯示三次重復(fù)實(shí)驗(yàn)的全套數(shù)據(jù)、譜線圖、前進(jìn)角θ?和后退角θ?，如圖4、5和6。

圖4，第一次測試結(jié)果圖及標(biāo)注

圖5，第二次測試結(jié)果圖及標(biāo)注

圖6，第三次測試結(jié)果圖及標(biāo)注

  三次測量的前進(jìn)角θ?和后退角θ?結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)偏差統(tǒng)計見表一。

表一，三次測量的前進(jìn)角θ?和后退角θ?結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)偏差統(tǒng)計表

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可見，三次重復(fù)實(shí)驗(yàn)測得的前進(jìn)角θ?和后退角θ?相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均低于 0.4%，證明該測試方法穩(wěn)定性高、數(shù)據(jù)可靠，可滿足疏水材料潤濕性能表征的科研與工業(yè)質(zhì)量檢測要求。

OCA 系列接觸角測量儀還可外接環(huán)境控制腔室，實(shí)現(xiàn)溫度、濕度等測試條件的精準(zhǔn)調(diào)控，能夠拓展應(yīng)用于復(fù)雜環(huán)境下的動態(tài)接觸角測試，具有廣泛的適用場景。