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3D接觸角應(yīng)用于測試圈煙接觸角值及其應(yīng)用實(shí)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(gè)典型的應(yīng)用。目前，絕大多數(shù)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(shù)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(shù)進(jìn)行修正，因而，測值結(jié)果易受重力影響而導(dǎo)致重復(fù)性非常差；

2、事實(shí)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(jié)果應(yīng)采用與界面化學(xué)分析原理相關(guān)的算法，因而量角器原理的所謂的接觸角測量儀的測值結(jié)果的科學(xué)性存在問題，測值絕對(duì)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(xué)多樣性、表面粗糙度以及異構(gòu)性導(dǎo)致，接觸角值在3D狀態(tài)下為非軸對(duì)稱的。因而，量角器法的儀器事實(shí)上無法用于準(zhǔn)確的測量左、右角度值并將其應(yīng)用于實(shí)際的應(yīng)用。

Young-Laplace方程擬合法，將重力系數(shù)以及表面張力、接觸角值綜合參與運(yùn)算，因而，這個(gè)算法在接觸角測量上：

1、符合界面化學(xué)原理，測值結(jié)果的科學(xué)性以及可靠性均好；

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

這也是國外儀器與國產(chǎn)的接觸角測量儀的本質(zhì)區(qū)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(xué)多樣性、表面粗糙度以及異構(gòu)性導(dǎo)致，接觸角值在3D狀態(tài)下為非軸對(duì)稱的。因而，量角器法的儀器事實(shí)上無法用于準(zhǔn)確的測量左、右角度值并將其應(yīng)用于實(shí)際的應(yīng)用。因而，Young-Laplace方程擬合法無法用于絕大多數(shù)的接觸角值樣品的測試條件，換言之，其測值精度事實(shí)上是存在問題的。

接觸角測量儀測試算法：阿莎ADSA－RealDrop

根據(jù)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(jié)果可用于評(píng)估卷煙紙的潤濕性。其中，按傳統(tǒng)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(yīng)用中，由于材料本身的化學(xué)多樣性、表面粗糙度以及異構(gòu)性（表面形貌結(jié)構(gòu)）導(dǎo)致的接觸角滯后，將影響到測值結(jié)果以及評(píng)估。因而，如上的所有的方法在具體的應(yīng)用中存在一定的缺陷。

對(duì)于四種不同卷煙紙，我們進(jìn)行了測量，測量的結(jié)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(jìn)而，我們對(duì)如上接觸角測量儀得到的接觸角值數(shù)據(jù)進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù)可以看出：

1、從如上數(shù)據(jù)來分析，親水性程度而言，其程度排序?yàn)?#＜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(qū)別的標(biāo)準(zhǔn)。通常為5mN/m的差值可用作判斷不同材料的依據(jù)。

"3、根據(jù)3D接觸角原理，接觸角值標(biāo)準(zhǔn)差偏差范圍為±1度時(shí)，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?dǎo)致的滯后接觸角明顯與否的依據(jù)。

從接觸角值分布來看，2#樣品的接觸角值標(biāo)準(zhǔn)差分布為1.6，遠(yuǎn)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(shí)上比4#樣品的表面清潔度或均勻度要好，即接觸角滯后現(xiàn)象更為不明顯。"

4、從如上數(shù)據(jù)來看，1、2、4號(hào)樣品均存在明顯的左、右接觸角值標(biāo)準(zhǔn)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(gè)空間是指接觸角值左、右值可以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)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(shí)際的非常復(fù)雜的應(yīng)用需求，如表面清潔度評(píng)估、表面均勻度、表面粗糙度影響的接觸角值的評(píng)估；

2、Young-Laplace方程擬合的方法無法用于評(píng)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(duì)稱性以及重力系數(shù)修正功能，是目前為止評(píng)估材料性質(zhì)以及潤濕性相對(duì)而言較好的方法。在評(píng)估有效性以及測值精度方面均有明顯的區(qū)別于常規(guī)的方法。



  

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