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3D接觸角應用于測試圈煙接觸角值及其應用實例

2019-6-17 14:50:28

接觸角測量儀用于測試固體材料的接觸角值是一個典型的應用。目前,絕大多數的接觸角測量儀均是采用圓擬合、橢圓擬合或切線法、Young-Laplace方程擬合法的儀器。其中,圓擬合、橢圓擬合以及切線法的接觸角測量儀,因其采用的測試算法為簡單的角度測量的量角工具,因而,通常這些儀器只能視為普通的數碼量角器。其明顯的缺陷在于:

1、這些測試算法無法將重力系數進行修正,因而,測值結果易受重力影響而導致重復性非常差;

2、事實上的液滴輪廓的非圓(球形)或橢圓(橢球)形的特征,決定了其測值結果應采用與界面化學分析原理相關的算法,因而量角器原理的所謂的接觸角測量儀的測值結果的科學性存在問題,測值絕對精度與存在問題。

3、98%的樣品因其材料的本身客觀存在的化學多樣性、表面粗糙度以及異構性導致,接觸角值在3D狀態下為非軸對稱的。因而,量角器法的儀器事實上無法用于準確的測量左、右角度值并將其應用于實際的應用。

Young-Laplace方程擬合法,將重力系數以及表面張力、接觸角值綜合參與運算,因而,這個算法在接觸角測量上:

1、符合界面化學原理,測值結果的科學性以及可靠性均好;

2、測值的重復性好,自動修正重力影響,因而接觸角測量時,在一定的體積范圍內,重力影響被修正,接觸角值的測值結果在樣品好的時候保持幾乎不變。

這也是國外儀器與國產的接觸角測量儀的本質區別所在。

但是,正如上所示,98%的樣品因其材料的本身客觀存在的化學多樣性、表面粗糙度以及異構性導致,接觸角值在3D狀態下為非軸對稱的。因而,量角器法的儀器事實上無法用于準確的測量左、右角度值并將其應用于實際的應用。因而,Young-Laplace方程擬合法無法用于絕大多數的接觸角值樣品的測試條件,換言之,其測值精度事實上是存在問題的。

接觸角測量儀測試算法:阿莎ADSA-RealDrop

根據YC/T 424-2011《煙用紙表面潤濕性能的測量 接觸角法》Determination of surface wettability of paper for cigarette contact angle meter。 接觸角測值結果可用于評估卷煙紙的潤濕性。其中,按傳統的接觸角測量測量儀,提供了四種主要的測試方法,包括:橢圓法、切線法、寬高法、圓形擬合法和楊氏方程擬合法(Young-Laplace方程擬合法)。而在具體的測試應用中,由于材料本身的化學多樣性、表面粗糙度以及異構性(表面形貌結構)導致的接觸角滯后,將影響到測值結果以及評估。因而,如上的所有的方法在具體的應用中存在一定的缺陷。

對于四種不同卷煙紙,我們進行了測量,測量的結果如下所示:

左接觸角 右接觸角 平均 左接觸角 右接觸角 平均 左接觸角 右接觸角 平均 總平均
1# 90.065 88.407 89.236 91.1 88.177 89.636 91.07 88.177 89.592 89.488
2# 52.411 55.712 54.062 52.165 55.452 53.809 51.145 54.145 53.021 53.63067
3# 49.031 50.355 49.493 49.122 50.798 49.96 49.041 49.88 49.46 49.63767
4# 42.03 43.804 42.917 39.764 42.294 41.029 38.892 41.251 40.072 41.33933

并進而,我們對如上接觸角測量儀得到的接觸角值數據進行整理分析:

總平均 表面自由能 表面自由能差值 接觸角值標準差分布平均
1# 89.488 30.06 1.25
2# 53.63067 51.49 21.43 1.60
3# 49.63767 53.81 2.32 0.64
4# 41.33933 58.48 4.67 1.11

從如上數據可以看出:

1、從如上數據來分析,親水性程度而言,其程度排序為1#<2#<3#<4#;

2、其中最為特殊的是2#和3#樣品,其接觸角值差值為4度,換算至表面自由能約為2.32mN/m,不足以用作判斷是否有明顯區別的標準。通常為5mN/m的差值可用作判斷不同材料的依據。

"3、根據3D接觸角原理,接觸角值標準差偏差范圍為±1度時,表面自由能的變化范圍為2mN/m??梢杂米髋袛鄻悠返木鶆蚨然虮砻娲植诙葘е碌臏蠼佑|角明顯與否的依據。

從接觸角值分布來看,2#樣品的接觸角值標準差分布為1.6,遠超1度的要求。因而,2#樣品的表面清潔度或均勻度是最差的。而3#樣品事實上比4#樣品的表面清潔度或均勻度要好,即接觸角滯后現象更為不明顯。"

4、從如上數據來看,1、2、4號樣品均存在明顯的左、右接觸角值標準差較大的情況,因而,表面的清潔度處理可以有利于提升材料的潤濕性,且有一定的改良的空間。這個空間是指接觸角值左、右值可以實現標準差值小于1度接觸角值。

接觸角測量儀測量算法:阿莎ADSA

綜合如上可以看出:

1、通常的量角器法的接觸角測量儀無法滿足實際的非常復雜的應用需求,如表面清潔度評估、表面均勻度、表面粗糙度影響的接觸角值的評估;

2、Young-Laplace方程擬合的方法無法用于評估絕大部分樣品。因而,98%的樣品的左、右、前、后角度值通常存在偏差。

3、阿莎算法(ADSA-RealDrop)由于其非軸對稱性以及重力系數修正功能,是目前為止評估材料性質以及潤濕性相對而言較好的方法。在評估有效性以及測值精度方面均有明顯的區別于常規的方法。



  

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