HA型接觸角測定儀

時間：2016-08-10作者：濟寧市科爾奇機電設(shè)備有限公司瀏覽：371

 


HA型接觸角測定儀

 

使

用

說

明

書

 

 

 

 

目        錄

一、主要結(jié)構(gòu)及技術(shù)指標·············································································································· 4

1、主要結(jié)構(gòu)·························································································································· 4

2、硬件性能指標··················································································································· 5

1）工業(yè)相機··················································································································· 5

2）顯微鏡頭··················································································································· 5

3）調(diào)焦支架··················································································································· 5

4）下載物臺··················································································································· 5

5）上載物臺··················································································································· 5

6）滴液器······················································································································· 5

7）背光·························································································································· 6

3、軟件功能·························································································································· 6

1）拍照·························································································································· 6

2）視頻分析··················································································································· 6

3）接觸角測量················································································································ 6

4）表面能計算················································································································ 6

4、整機特征·························································································································· 6

二、接觸角概述···························································································································· 7

（一）潤濕作用及接觸角······································································································· 7

（二）潤濕過程····················································································································· 7

1、沾濕·························································································································· 7

2、浸濕·························································································································· 8

3、鋪展·························································································································· 8

（三）接觸角與潤濕方程······································································································· 9

（四）接觸角的測定············································································································ 10

1、切線角度測量法······································································································· 10

2、弦高長度測量法······································································································· 10

3、量角法····················································································································· 11

4、橢圓擬合法·············································································································· 11

1、增減滴體積法測量前進角和后退角··········································································· 11

三、儀器安裝······························································································································ 11

四、儀器操作······························································································································ 13

（一）、使用前的檢查········································································································· 13

（二）、軟件安裝與啟動····································································································· 13

（三）、操作······················································································································· 14

1、軟件概述················································································································· 14

2、拍照與錄像功能操作方法。····················································································· 14

3、視頻截取操作·········································································································· 16

4、接觸角分析操作······································································································· 18

5、表面能計算方法······································································································· 23

五、使用注意事項······················································································································· 26

 

 

 

（使用前請仔細閱讀本說明書?。?span>

 

HA接觸角測定儀用于對固體-液體-氣體三相界面間形成的接觸角進行測定，進而分析三相介質(zhì)之間的相互作用，并由此分析固體的表面能等數(shù)據(jù)。是熱力學(xué)、物理化學(xué)、表面化學(xué)*的儀器。

本接觸角測定儀采用高分辨率工業(yè)相機與顯微鏡頭，對固-液-氣三相界面進行拍照，得到清晰的界面圖像。提供錄像功能，對于高速變化的界面可記錄變化的每一瞬間，然后通過任意速度的回放，抓取其變化的關(guān)鍵圖像進行分析。軟件吸收了**較新接觸角測量接表面能計算方法，多種接觸角測量方法和表面能計算方法可直接進行對比，以便找到符合該界面的理想的測量與計算方法。該儀器廣泛用于石油、化工、醫(yī)藥、造紙、染料等領(lǐng)域，適用于大專院校、科研院所、質(zhì)檢機構(gòu)、工廠礦業(yè)等部門使用。

一、主要結(jié)構(gòu)及技術(shù)指標

1、主要結(jié)構(gòu)

儀器主要如圖1－1所示

圖1－1 接觸角測定儀主要結(jié)構(gòu)

 

2、硬件性能指標

1）工業(yè)相機

色彩方式：黑白

較大分辨率：1280*960像素

較小分辨率：640*480像素

錄像幀頻：較高25FPS。

2）顯微鏡頭

變倍比：0.7~4.5X

放大倍數(shù)：30~130

工作距離：95mm

筒長：168mm

視場角：18mm

3）調(diào)焦支架

F型調(diào)焦支架

調(diào)節(jié)范圍：60mm

4）下載物臺

移動方式：手動，平滑光學(xué)部件

載物臺尺寸：125*95mm

X方向（橫向）：80mm，精度0.1mm

Y方向（縱向）：30mm，精度0.1mm

Z方向（上下）：50mm

5）上載物臺

尺寸：70*45mm，一側(cè)圓角

6）滴液器

較小滴液體積分辨率：2.5μL

上下調(diào)節(jié)范圍：12mm

左右調(diào)節(jié)范圍：12mm

7）背光

半導(dǎo)體冷光源，量度連續(xù)可調(diào)

3、軟件功能

1）拍照

單張拍照、連續(xù)拍照（間隔時間任意設(shè)定）

拍照分辨率：1280*960、1024*768、800*600、640*480

大小圖預(yù)覽功能

圖像增益、亮度調(diào)節(jié)功能

錄像功能

2）視頻分析

播放速度任意可調(diào)

可單幀向前、向后播放

抓拍當前幀圖像

3）接觸角測量

基本測量方法：切線法、弦高法、量角法、橢圓擬合法

擴展測量方法：增減液滴法

顯示精度：0.1°

圖片亮度、對比度調(diào)整功能

圖片縮放功能

所有測繪線條可在合理范圍內(nèi)調(diào)整

4）表面能計算

提供Fowkes方法、Owens方法、Wu J.S方法、LW-AB方法、ZHU方法計算固體表面能

以表格方式存放計算結(jié)果，以文本文件格式保存數(shù)據(jù)到磁盤。

4、整機特征

電源：220V 50Hz 3A

外形尺寸：550×160×200（mm）

儀器凈重：約15Kg




二、接觸角概述

（一）潤濕作用及接觸角

潤濕（Wetting）是指在固體表面上一種液體取代另一種與之不相混溶的流體的過程。因此，潤濕作用必然涉及三相，其中兩相是流體。常見的潤濕現(xiàn)象是固體表面上氣體被液體取代的過程。

潤濕是較常見的現(xiàn)象之一，也是人類生活與生產(chǎn)中的重要過程，可以毫不夸張地說，若無潤濕作用，則人類將難以生存。因為如果沒有潤濕作用，動植物的生命活動便無法進行（請設(shè)想一下水對土壤及動、植物機體不潤濕的后果）。此外，潤濕作用還是許多生產(chǎn)過程的基礎(chǔ)。例如機械潤滑、注水采油、洗滌、印染、焊接等等，皆與潤濕作用有密切關(guān)系，當然，在人類的生活和生產(chǎn)中也不總是要求潤濕，有時倒是需要其反面。例如礦物浮選常常要求有用礦物不為水所潤濕；防雨布、防水及抗粘涂層等都要求形成不被潤濕的表面。

那么，液體在什么條件下可以潤濕固體，怎樣改變液體和固體的潤濕性質(zhì)以滿足人們的需要？這就要研究固體和液體、氣體之間的接觸特性。

另外，由于潤濕現(xiàn)象是固體表面結(jié)構(gòu)與性質(zhì)、液體表面與界面性質(zhì)以及固液兩相分子間相互作用等微觀特性的宏觀表現(xiàn)，潤濕現(xiàn)象的研究可以為了解不易得到的固體表面性質(zhì)提供有用的知識。

液體對固體的潤濕特性可以通過固液氣三相的接觸角來衡量，通過接觸角的測定還可以分析固體表面的表面能、表面張力等許多特性，所有在研究液體對固體的潤濕特性和固體的表面特性時，不可避免的要涉及到接觸角的測定。

（二）潤濕過程

潤濕過程可以分為三類：沾濕（adhesion）、浸濕（immersion）和鋪展（spreading），它們各自在不同的實際問題中起作用。下面分別討論這些過程的實質(zhì)及自動進行的條件。

1、沾濕

指液體與固體從不接觸到接觸、變液氣界面和固氣界面為固液界面的過程（圖2－1）。例如農(nóng)藥噴霧能否有效地附著到植物枝葉上？雨滴會不會沾在衣服上？此皆沾濕過程能否自動進行的問題。

設(shè)形成的接觸面積為單位值，此過程中體系自由能降低（-△G）應(yīng)為：

      （2－1）

式中，為氣固界面自由能；為液體表面自由能；為固液界面自由能；稱為黏付功，是沾濕過程體系對外所能作的較大功，也是將接觸的固體和液體自交界處拉開，外界所需作的較小功。顯然，此值越大則固體和液體結(jié)合越牢。故值反映固液界面結(jié)合能力及兩相分子間相互作用力的大小。根據(jù)熱力學(xué)*二定律，在恒溫壓條件下，>0的過程為**過程。這也就是沾濕發(fā)生的條件。

2、浸濕

指固體浸入液體中的過程。洗衣時把衣服泡在水中就是浸濕的過程。此過程的實質(zhì)是固氣界面為固液界面所代替，而液體表面在此過程中沒有變化，如圖2－2所示。在浸濕面積為單位值時，此過程的自由能降低值為：

      （2－2）

稱作浸潤功，它反映液體在固體表面上取代氣體（或另一種與不相混溶的流體）的能力，>0是浸濕過程能否自動進行的判據(jù)。

3、鋪展

多種工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用涂布工藝，其目的在于在固體基底上均勻地形成*體薄層。這時不僅要求液體能附著于植物枝葉上生產(chǎn)藥效，而且能自行鋪展，以便覆蓋面積較大，達到較好的植物保護效果。鋪展過程的實質(zhì)是以固液界面代替氣固界面的同時還擴展了氣液界面（圖2－3）。當鋪展面積為單位值時體系自由能降低為

    （2－3）

S稱為鋪展系數(shù)，在恒溫壓下，S>0時液體可以在固體表面上自動展開，連續(xù)地從固體表面上取代氣體。只要用量足夠，液體將會自行鋪滿固體表面。將式2－2和式2－3結(jié)合可得

此式說明若要鋪展系統(tǒng)S>0，則必須大于。是液體的表面張力，表征液體收縮表面的能力。與之相應(yīng)，則體現(xiàn)了固體與液體間粘附的能力。因此，又稱之為黏附張力，用符號A來代表

    （2－4）

三種潤濕過程自發(fā)進行的條件皆可以用黏附張力來表示

    （2－5）

         （2－6）

      （2－7）

由于液體的表面張力總是正值，對于同一體系>>S，故凡能自行鋪展的體系，其它潤濕過程皆可自動進行。因而常以鋪展系數(shù)為體系潤濕指標。

從式2－5、2－6、2－7還可以看出，固體表面能對體系潤濕特性的影響都是通過黏附張力A來起作用。其共同的規(guī)律是：固氣界面能越大、固液界面能越小，也就是黏附張力越大，越有利于潤濕。液體表面張力對三種潤濕過程的影響各不同：對于沾濕大有利，對于鋪展小有利，而對于浸濕則大小與之無關(guān)系。

從上述內(nèi)容應(yīng)該得出一個結(jié)論：根據(jù)有關(guān)界面能的數(shù)值可判斷各種潤濕過程能否自動進行；再通過改變相應(yīng)的界面能的辦法即可達到所需要的潤濕效果。但實際卻關(guān)非如此簡單，且不說隨意改變各種界面能并非易事，就是有關(guān)各界面能的數(shù)值也不是都能求之即得的。在三種界面中只有液體表面張力可以方便地測定。因此應(yīng)用上述潤濕判斷實際上是困難的。然而，在固液接觸存在接觸角的情況下，在很久以前人們已經(jīng)找出接觸角與有關(guān)界面能的關(guān)系，為研究潤濕現(xiàn)象提供了方便。

（三）接觸角與潤濕方程

將液滴滴于固體表面上，液體或鋪展而覆蓋固體表面，或形成一液滴停于其上，如圖2－4所示，隨體系性質(zhì)而異。所形成液滴的形狀可以用接觸角來描述。接觸角是在固、液、氣三相交界處，自固液界面經(jīng)液體內(nèi)部到氣液界面的夾角，以θ表示。平衡接觸角與三個界面自由能之間有如下關(guān)系：

    （2－8）

此式較早由T.Young在1805年提出的，常稱為揚氏方程。它是潤濕的基本公式，亦稱為潤濕方程?？梢钥醋魇侨嘟唤缣幦齻€界面張力平衡的結(jié)果。此關(guān)系適用于具有固液、固氣連續(xù)表面的平衡體系。盡管用力學(xué)方法導(dǎo)出的潤濕方程是完全正確的，但由于固體界面的不均勻性，固液及固氣界面張力的性質(zhì)不易了解，人們用多種熱力方法導(dǎo)出潤濕方程。下面介紹其中的一種。

設(shè)停于固體表面上液滴在平衡條件下擴大固液界面面積dA，相應(yīng)的氣液界面面積的增值為dAcos(θ-dθ)（如圖2－5所示），體系自由能變化為

導(dǎo)出此式時因為dθ值很小而加以忽略。由于是在平衡條件下的變化，故△G=0，于是

即得潤濕方程。

將潤濕方程與式2－1、2－2、2－3結(jié)合則得

    （2－10）

     （2－11）

      （2－12）

因此，原則上說，測定了液體表面張力和接觸角即可得到黏附功、黏附張力和鋪展系數(shù)的數(shù)值，從而解決了應(yīng)用各種潤濕判斷的困難。從式2－10、2－11、2－12不難看出接觸角的大小是很好的潤濕標準。接觸角越小潤濕性能越佳。習(xí)慣上常將θ=90°定為潤濕與否的標準。θ>90°為不潤濕，θ<90°為潤濕，平衡接觸角等于0或不存在為鋪展。

（四）接觸角的測定

測定接觸角有許多種方法，可根據(jù)直接測定的物理量分為四大類：靜滴法（角度測量法）、長度測量法、力測量法、透過測量法。**種適用于連續(xù)的平固體表面，后一種方法可用于粉末固體表面的接觸角測定。本儀器支持以下基本測試方法。

1、切線角度測量法

這是應(yīng)用較廣泛，也是較直接的一類方法，如圖2－6所示，在固體表面滴一滴液體，通過儀器進行拍照，然后把液滴與固體表面接近的部分看作圓弧，在軟件支持下對這個圓弧做切線，然后測量該切線與固體表面角度。該方法的優(yōu)點是過程簡單、測量方便，能適應(yīng)不同角度的液滴。缺點是人為的誤差比較大。

2、弦高長度測量法

為避免作切線的困難，消除人為操作的誤差，發(fā)展了從長度測量數(shù)據(jù)計算出接觸角的方法，它的依據(jù)是對于小的液滴，其外形可以看作是球形的一部分，在液滴拍照的圖片上測出液滴的高度和底面的長度，如圖2－7所示，即可根據(jù)下式求得接觸角。

或

這種方法的前提是液滴足夠小，其重力影響可以忽略不計，此時液滴邊緣在表面張力作用下是球體的一部分。

3、量角法

量角法是使用軟件模擬直角尺，通過直角尺的移動及旋轉(zhuǎn)測量出圓球的切線角度。如圖2-8所示，首先畫出直角量角器，使其與液滴圓相切，如圖2-8A所示。然后向下移動量角器，使其直角**與液滴圓的**重合，如圖2-8B所示。再以直角**點為原點旋轉(zhuǎn)量角器，讓它的一條直角邊和相鄰的三相交界點重合，根據(jù)旋轉(zhuǎn)的角度就可以計算出接觸角，如圖2-8C所示。

該方法的特點與弦高長度法相同，優(yōu)點是測量比較準確，人為因素影響小。但要求液滴基本為圓形，且滴落在水平的平面上。

4、橢圓擬合法

當液滴滴在平面上后，受重力影響，會下沉為橢圓形，當形狀變化比較大時，弦高長度法和量角法將不適用，這時可以使用本方法，本方法如圖2-9所示，是把液滴外部輪廓看作橢圓，繪制一個和它非常接近的橢圓，即可根據(jù)橢圓和它的平面線求出其切線，并計算出接觸角。

 

接觸角測量還可以擴展出一下方法：

1、增減滴體積法測量前進角和后退角

實際固體表面一般都是非理想表面，或大或小總會出現(xiàn)接觸角的滯后現(xiàn)象，因此，一般需要同時測定接觸角的前進角和后退角，如圖2－10所示，通過注液器來控制液滴的體積，同時進行連續(xù)拍照，當增加液滴體積時可測出前進角，減少液滴體積時可測出后退角。注意在測定時要把毛細管**插入液滴中。

三、儀器安裝

設(shè)備拆箱后，首先對照裝箱單檢查附件是否齊全，若缺少附件，請立即與本公司聯(lián)系。

將接觸角測定儀主機安裝在平穩(wěn)無振動的工作臺上，并根據(jù)水平儀的指示把設(shè)備調(diào)到水平狀態(tài)。

按照如下順序安裝附件：

1、             將工業(yè)相機和顯微鏡頭組件安裝到調(diào)焦支架上，并確保安裝牢固，工業(yè)相機應(yīng)處于水平位置，若不能確定，可在軟件安裝好后根據(jù)基線進行調(diào)整。

2、             將滴液器組件從中間滾花位置擰開，將附帶的注射器吸入測試用液體，然后安裝好，并讓針頭向上，旋轉(zhuǎn)測微頭，把針管中的空氣排出。再把滴液器安裝到滴液器架上，緊固。

3、             把電腦安裝在設(shè)備的附近，然后按下圖3－1的接口說明將接觸角測定儀和電腦連接起來。接觸角測定儀和電腦都使用單相三線制電源，要有可靠的接地保護。


四、儀器操作

（一）、使用前的檢查

l         各信號及控制線連接無誤。

l         電腦和儀器電源連接可靠，并有良好接地。

l         再次檢查儀器是否處于水平狀態(tài)。

l         打開儀器主機電源，調(diào)整背光燈，使背光燈的亮度處于適中位置。

（二）、軟件安裝與啟動

先從電腦USB接口拔下工業(yè)相機的連接線，然后打開電腦電源，待系統(tǒng)啟動完畢，插入工業(yè)相機連接線，這是電腦會提示“發(fā)現(xiàn)新硬件”，然后把隨機帶的軟件盤插入到電腦光驅(qū)中，*驅(qū)動程序的位置，安裝工業(yè)相機的驅(qū)動軟件。

然后找到隨機軟件盤中的“setup.exe”程序，雙擊安裝。安裝時可能電腦會從網(wǎng)絡(luò)下載較新軟件，請保證網(wǎng)絡(luò)的暢通。安裝過程完全安裝默認安裝即可。

安裝完畢桌面會出現(xiàn)圖標，安裝完成。雙擊該圖標，進入軟件。進入軟件后的界面如圖4－1所示。

如果在啟動軟件是沒有安裝好攝像機，會出現(xiàn)如下提示：

圖4-2 攝像機沒有正確安裝提示

進入軟件后拍照與錄像功能將被禁用。

 

（三）、操作

1、軟件概述

本軟件功能分為四個部分，分別為“拍照與錄像”、“視頻截取”、“接觸角分析”、“表面能計算”。

（1）拍照與錄像

這部分功能用來控制攝像機，進行視頻調(diào)節(jié)、拍照、連續(xù)拍照及對操作過程進行錄像。

（2）視頻截取

用來打開**部分功能錄制的錄像文件，以任意速度進行回放、逐幀回放、截取一幀圖像保存為圖片。

（3）接觸角分析

用來打開**、二部分拍照到的圖片，進行接觸角分析測量，提供四種接觸角基本測量方法：切線法、弦高法、量角法、橢圓擬合法，并支持增減液滴測量前進角和后退角的擴展方法。并可以保存分析結(jié)果數(shù)據(jù)、分析結(jié)果圖片。

（4）表面能計算

提供Fowkes方法、Owens方法、Wu S.J方法、LW-AB方法、ZHU方法進行表面能計算。并可以把各種計算方法得到的結(jié)果保存到同一個表格中進行對比，也可將本表格以文本文件的形式保存到磁盤中。

2、拍照與錄像功能操作方法。

單擊左上角的“拍照與錄像”按鈕，進入拍照錄像功能。該功能界面如圖4-1所示。

（1）、基本調(diào)整過程

單擊按鈕，攝像機的視屏圖像會在視頻監(jiān)控窗口中顯示出來。單擊按鈕，攝像機的視頻會同時顯示到視頻監(jiān)控大窗口中。

此時向光源的反方向（下稱“向后”）調(diào)節(jié)調(diào)焦手輪，并逆時針旋轉(zhuǎn)鏡頭上的調(diào)焦環(huán)，使圖像的視場角變大。上下調(diào)整載物臺高度，使載物臺（如果沒有使用上載物臺，則以下載物臺為準，否則以上載物臺為準）的上邊緣位于圖像中線位置，結(jié)合調(diào)焦手輪和調(diào)焦環(huán)，使載物臺的邊緣變清晰。仔細觀察載物臺的邊緣與圖像中線是否平行，如果不平行，請調(diào)整鏡頭的安裝角度，使之平行。平行與否會影響到弦高法和量角法的測量精度。

向下調(diào)整滴液器的位置，使針頭接近載物臺平面，左右調(diào)整滴液器，直到針頭的圖像出現(xiàn)在圖像的中間位置，基本調(diào)節(jié)完成。

（2）基本拍照方法（靜滴拍照）

該方法的原則是使用盡可能少的制定量的液體滴在固體上進行拍照。將被測試樣準備好，試樣要平整，呈薄片狀，平放在載物臺上，并調(diào)節(jié)載物臺的高度，讓試樣的上邊緣處于圖像的中線位置。順時針旋轉(zhuǎn)滴液器上的測微頭，在針管中充滿液體，沒有氣泡的情況下，每向右旋轉(zhuǎn)一個刻度，推出的液體為2.5μL，當一定量的液體被推出，在針頭部位形成液滴時，旋轉(zhuǎn)載物臺升降手輪讓試樣上升并接觸液滴，這樣液滴將滴在試樣上，再讓試樣下降到圖像中線以下，并調(diào)節(jié)調(diào)焦手輪和變焦環(huán)，使圖像清晰。如果圖像對比度太大或太小，請結(jié)合背光亮度、增益量、曝光量進行調(diào)整。然后點擊按鈕進行拍照。

（3）增減液滴法測前進角和后退角的操作

       因增減液滴法屬于動態(tài)過程，較好以錄像的方式將操作過程錄制下來，然后再逐幀分析，抓取較具典型意義的圖片進行分析。

       按基本調(diào)整方法將儀器調(diào)整好，向下移動滴液器，使針頭基本接觸到試樣平面，然后調(diào)整焦距和變焦使針頭處于畫面中心并處于較清晰的位置。

       如果操作過程三相作用過程變化較快，建議選擇較低的分辨率并關(guān)閉大圖視頻，這樣可以提高幀頻率。單擊按鈕，然后旋轉(zhuǎn)滴液器測微頭，向固體試樣增加液體，液滴體積增加到一定程度后，向逆時針旋轉(zhuǎn)測微頭，將液體吸回到針管中。液滴減小到一定程度后，單擊按鈕停止錄像并自動保存。保存后的錄像文件可在“視頻截取”中進行分析抓取照片。

（4）連續(xù)拍照的操作

       有些操作中，固液氣三相作用變化過程非常緩慢，要記錄這個過程中的高清晰圖片，適合使用的方法就是定時拍照。按照前述方法調(diào)整好儀器，設(shè)定定時拍照時間，注意時間單位是0.1S，然后單擊按鈕，開始定時拍照。這樣會把操作過程用照片記錄下來。

（5）拍照與錄像功能詳解

       按鈕：打開攝像機，在監(jiān)控窗口顯示視頻。

按鈕：關(guān)閉攝像機，并清除視頻顯示。

按鈕：打開大圖視頻，同時在監(jiān)控窗口和大圖窗口顯示視頻。

按鈕：關(guān)閉大圖視頻。

按鈕：將當前視頻幀保存為照片，照片文件名為當前日期時間，格式為BMP位圖格式。文件保存位置由*。

按鈕：根據(jù)定時時間的設(shè)置進行定時拍照。照片文件名為當前日期時間加4位隨機數(shù)，格式為BMP位圖格式。文件保存位置由照片路徑*。

按鈕：開始錄像，錄像格式為AVI格式，文件名為當前日期時間，文件保存位置由照片路徑*。

按鈕：停止錄像并保存錄像文件。

：*定時拍照時兩張照片之間的間隔時間。

：*照片與視頻文件保存位置。單擊按鈕選擇路徑。

：用于選擇圖像的分辨率，分辨率支持1280*960、1024*768、800*600、640*480四種，一般在錄像狀態(tài)時為提高幀頻率，要設(shè)置較小的分辨率。

：調(diào)整每一幀的曝光時間，相當于普通相機的快門時間，當被測目標有較快變化時，要減小該時間，以避免圖像拖尾，獲得較清晰的圖像。目標物體變化較慢時，可適當增大該值，提高圖像亮度。

：提高CCD器件的電平輸出增益，可以提高圖像的對比度。

3、視頻截取操作

視頻截取操作界面如圖4-3所示，其操作步驟按照圖中標明的步驟進行。

 

 

按鈕：回到視頻開頭。

按鈕：向前回一幀。

按鈕：按設(shè)定速度播放。

按鈕：向后進一幀。

按鈕：暫停播放。

按鈕：停止播放，回到開頭。

：播放速度控制。

：將視頻同時顯示到大圖的為位置。

4、接觸角分析操作

（1）接觸角分析界面功能

接觸角分析主界面如圖4-4所示，其各部分功能如圖標注所示。

 

圖片選擇：單擊右側(cè)的選擇按鈕，選擇圖片存放路徑，該路徑下的圖片文件會自動被檢索到文件列表框中。雙擊圖片列表框中的文件名，圖片顯示到右側(cè)的圖片分析區(qū)中。

圖片調(diào)整：單擊、按鈕進行圖片縮放，調(diào)整“對比度”和“亮度”條，可以改變圖像亮度和對比度，使其較容易分析。

接觸角測量方法選擇：單擊對應(yīng)的接觸角測量方法，接觸角測量工具欄會出現(xiàn)相應(yīng)的測量工具。

圖片分析區(qū)：在該區(qū)域中顯示大圖，并用接觸角測量工具在此區(qū)域中繪制測繪線段，顯示測量結(jié)果。

（2）圖形繪制的基本方法

在測量接觸角時，要使用軟件提供的各種畫圖工具繪制輔助線，只有圖形繪制正確，才能精確測量接觸角。繪制圖形的要點是：

2        單擊工具欄上的繪圖工具。

2        在圖像窗口單擊，確定圖形起點。

2        拖動鼠標到圖形終點，結(jié)束圖形繪制。

2        單擊圖形，圖形上顯示方形控制點，表示圖形被選中。

2        拖動選中后的圖形可以移動圖形。

2        拖動圖形上的控制點可以旋轉(zhuǎn)圖形或改變圖形的大小。

（3）切線法測量接觸角

切線法的工具欄如圖4-5所示，本方法是通過幾何作圖的方式，對圖像做出水平基線和左右三相交點處圓弧的切線，由軟件計算切線和基線的接觸角。

 

以做左切線為例，說明測量過程：首先單擊繪制基線，基線是和固體上表面重合的一條直線，它在接觸角計算過程中代表固體平面，所以要和固體平面嚴格重合，本方法中基線只能是水平線，且長度對測量結(jié)果沒有影響。繪制完成后的結(jié)果如圖4-6所示，如果基線位置沒有良好地和固體平面重合，可以調(diào)整該線段的位置。

再單擊按鈕繪制切線，切線繪制的原則是以三相交界點為圓的切點，繪制圓的切線，如果繪制完成發(fā)現(xiàn)沒有良好相切，可以選定切線重新調(diào)整，如圖4-7所示。

切線繪制完成，請單擊按鈕計算接觸角，角度信息會自動顯示在圖像上，如圖4-8所示。角度標定完成后圖形將不可以選定和移動，如果想調(diào)整線條，可以刪除標定的角度，即可以選定圖形。

每一種線條繪制按鈕的右側(cè)都對應(yīng)著一個刪除按鈕，如果向刪除對應(yīng)的圖形和角度，單擊該按鈕即可。

右切線的繪制方法和左切線相同，因為圖形在一般情況下是對稱的，左接觸角和右接觸角的值是相同的。

角度測量完成后，若要保存該值，有兩種方法，一是單擊按鈕，將計算結(jié)果添加到測試結(jié)果表格，再單擊按鈕保存到磁盤。另一種方法是單擊按鈕，直接將繪制好線條的圖片保存，以嵌入到其他文檔、實驗報告等文件中使用。

（4）弦高法測量接觸角

弦高法也稱長度測量法，它的原理見本說明書的*二部分。在接觸角測量方法位置單擊弦高法，填出如圖4-9所示的工具欄，其含義如圖標注所示。

測量過程：

單擊按鈕，從圖形中一個三相交界點繪制到另一個三相交界點，形成液滴圓的弦。注意這種測量方法是和線段長度相關(guān)的，所以三相交界點要準確，通過調(diào)整線段，使線段端點精確重合到三相交界點處。

單擊按鈕，從液滴圓弧的較高點向弦繪制垂線作為圓弧的高，高線的上端點要與液滴圓弧的高點重合，高線的下端點與液滴圓的弦重合，如果有不精確的地方，請調(diào)整。

繪制完成，請單擊按鈕，會自動求出接觸角，在左側(cè)三相交界點繪制示意切線，標出角度信息。完成的結(jié)果如圖4-10所示。

角度測量完成后，若要保存該值，有兩種方法，一是單擊按鈕，將計算結(jié)果添加到測試結(jié)果表格，再單擊按鈕保存到磁盤。另一種方法是單擊按鈕，直接將繪制好線條的圖片保存，以嵌入到其他文檔、實驗報告等文件中使用。

（5）量角法測量接觸角

量角法工具欄及其功能如圖4-11所示。

量角法測量步驟如下：

A、單擊按鈕后，在圖像分析區(qū)任意位置繪制量角器。量角器繪制完成，會自動彈出提示“是否結(jié)束繪制量角器步驟，進入與圖形相切步驟？”，如果感覺量角器大小不合適，單擊“否”按鈕調(diào)整量角器，否則單擊“是”按鈕進入下一步。本步驟如圖4-12所示。

B、移動量角器。用鼠標拖動量角器，讓它的兩條直角邊與液滴圓相切，調(diào)整好后放開鼠標，彈出提示“是否進入尋找圖形**操作？”。單擊“否”按鈕，繼續(xù)調(diào)整圖形位置，單擊“是”按鈕，


進入下一步。本步驟如圖4-13所示。

C、拖動量角器，使量角器的直角**與液滴圓的較高點重合。此時量角器只能上下垂直方向拖動。直角**與液滴圓較高點重合后，放開鼠標左鍵，彈出提示“是否進入尋找圖形左側(cè)交界點操作？”，單擊“否”按鈕繼續(xù)調(diào)整圖形，單擊“是”按鈕進入下一步。本步驟如圖4-14所示。

D、拖動量角器左側(cè)直角邊的控制點，使量角器旋轉(zhuǎn)到左側(cè)直角邊端點與液滴圖形左側(cè)三相交界點重合，放開鼠標鍵，彈出提示“是否完成？”，單擊“否”按鈕繼續(xù)調(diào)整圖形，單擊“是”按鈕進入下一步。本步驟如圖4-15所示。在本步驟調(diào)整時只能以直角**為軸旋轉(zhuǎn)量角器，不可以任意移動。

量角器繪制完成后，單擊按鈕，軟件會自動計算角度，生成一條輔助線并在圖形中標注出來，結(jié)果如圖4-16所示。

角度測量完成后，若要保存該值，有兩種方法，一是單擊按鈕，將計算結(jié)果添加到測試結(jié)果表格，再單擊按鈕保存到磁盤。另一種方法是單擊按鈕，直接將繪制好線條的圖片保存，以嵌入到其他文檔、實驗報告等文件中使用。

（6）橢圓擬合法測量接觸角

弦高法和量角法都是建立在液滴圓非常接近于圓的假設(shè)基礎(chǔ)上，當液滴圓明顯偏離圓形時，由于力的對稱性的存在，在固體表面基本均勻的情況下，可以把它看作是橢圓，此時適用橢圓擬合法進行角度測量。

橢圓擬合法的工具欄及其作用如圖4-17所示。

橢圓擬合法測量過程如下：

單擊按鈕，在固體平面上繪制基線，基線要與平面重合，其長度大于液滴圓的弦。

單擊按鈕，繪制橢圓，然后拖動橢圓的四個控制點調(diào)整橢圓的形狀和大小，使之與液滴圓的邊緣重合，若某一控制點移到畫面外部，請拖動橢圓，露出控制點后再調(diào)整，然后再拖動到原來的位置。

橢圓繪制完成后，單擊按鈕生成接觸角信息及輔助線，接觸角會顯示在畫面上。測量結(jié)果如圖4-18所示。

角度測量完成后，若要保存該值，有兩種方法，一是單擊按鈕，將計算結(jié)果添加到測試結(jié)果表格，再單擊按鈕保存到磁盤。另一種方法是單擊按鈕，直接將繪制好線條的圖片保存，以嵌入到其他文檔、實驗報告等文件中使用。




5、表面能計算方法

（1）、Fowkes方法

由Fowkes于1964年提出，他把表面張力分解為兩種力：London色散力（disperse）和由偶較作用力、氫鍵以及誘導(dǎo)力等組成的極性力(polar)。該方法中認為只有色散力對固液界面起作用，結(jié)合Young-Dupre方程，得到方程：

：固氣界面色散力

：液氣界面自由能

本方法適用于液體和固體中有一相或兩相都為非極性物質(zhì)的測試，只需一次試驗。

本軟件計算方法為，單擊上方導(dǎo)航按鈕的按鈕，進入表面能計算界面，在Fowkes方法界面中輸入或選擇液相介質(zhì)名稱，如果選擇介質(zhì)名稱，其表面張力會自動填到“表面張力”一欄中，如果使用選項中沒有的介質(zhì)，則要輸入該液體的表面張力；然后輸入測得的接觸角度，單擊按鈕，相應(yīng)結(jié)果會出現(xiàn)在按鈕下方的“固體表面能”一欄中。單擊按鈕，將計算結(jié)果添加到下方的表格中。其操作界面如圖5- 1所示。

 

（2）、幾何平均法【Owens & Wendt】

1969年，Owens和Wendt發(fā)展了Fowkes方法，本方法認為在液固界面上除存在London色散力外，還存在包括誘導(dǎo)力、取向力及氫鍵在內(nèi)的極性作用，將色散力和極性力綜合運算，得到方程：

：固氣界面的色散力。

：液氣界面的色散力。

：固氣界面的極性力。

：液氣界面的極性力。

：液氣界面的表面自由能（表面張力）。

本方程有兩個變量，分別為和，需要進行兩次不同液體對同一固體界面進行測試，解聯(lián)立方程得到固氣界面的色散力和極性力，得到固體的表面自由能。

該方法比較簡單，但隨配對液體的不同，計算結(jié)果會有較大不同。究其原因可能是由于幾何平均法簡單地把氫鍵同偶較、誘導(dǎo)力等極性作用歸為一類用幾何平均公式表達，實際上氫鍵來源于分子中特殊的不對稱電荷分布，是一種非對稱性的作用。

表一  常用液體的表面張力、色散力與極性力

名稱
純水	72.8	26.4	46.4
二碘甲烷	50.8	50.8	0

本方法操作界面如圖5- 2所示，需要分別輸入兩種液體的相關(guān)參數(shù)，才可以計算固體的表面能。也稱Owens二液法。

 

 

（3）、調(diào)和平均法【Wu S. J Polym Sci】

Wu S. J Polym Sci在研究高分子化合物之間的界面張力時，發(fā)現(xiàn)Fowkes公式有較大誤差，于是做了兩點改進：一是用調(diào)和平均法計算不同分子間的引力常數(shù)，二是不僅考慮色散力的影響，也考慮了分子間極性力的影響，其方程如下：

 

：固氣界面的色散力。

：液氣界面的色散力。

：固氣界面的極性力。

：液氣界面的極性力。

：液氣界面的表面自由能（表面張力）。

本方程有兩個變量，分別為和，需要進行兩次不同液體對同一固體界面進行測試，解聯(lián)立方程得到固氣界面的色散力和極性力，得到固體的表面自由能。

該方法的操作方法如圖5- 3所示，需要輸入兩種介質(zhì)的相關(guān)參數(shù)，計算出固體表面能。

 

 

（4）、LW-AB法

該方法由Van Oss等人提出，它認為極性部分可進一步描述為電子受體和電子給體之間的相互作用，也稱作質(zhì)子酸堿作用，并將兩相間的自由能描述為方程：

：固氣界面非極性作用分量。

：固氣界面電子受體分量。

：固氣界面電子給體分量。

：液氣界面非極性分量。

：液氣界面電子受體分量。

：液氣界面電子給體分量。

這種方法要進行三次不同液體對同一固體表面接觸角的測試，求聯(lián)立方程，得到固體的三個分量。根據(jù)下式求得固體的表面能：

該方法是目前接觸角儀器采用較多的計算表面能的方法。


操作界面如圖5- 4所示，需要輸入三種液體的相關(guān)參數(shù)和測量的接觸角，才可以計算出固體的表面能。

 

 

 

表二 典型測試液體

液體
Water 純水	72.8	21.8	51	25.5	25.5
Glycerol 甘油	64	34	30	3.92	57.4
Formamide 甲酰胺	58	39	19	2.28	39.6
Methylene Iodide 二碘甲烷(非極性)	50.8	50.8	0	0	0
Ethylene Glycol 乙二醇	48	29	19	1.92	47

 

五、ZHU法

由朱定一等人在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出了計算固體表面張力的新方法。通過建立有限液固界面體系的張力平衡，推導(dǎo)出在無限液固界面系統(tǒng)中液固界面張力和固相表面張力關(guān)系式：

該方法具有較好的一致性，標準偏差比較小，但當接觸角比較小時固體表面張力的變化對接觸角的影響逐漸不敏感。

該方法只需要一種液體的參數(shù)和接觸角測試結(jié)果，如圖5- 5所示。

 

計算結(jié)果保存到下方表格后，可以單擊按鈕將計算結(jié)果以文本文件的形式保存到磁盤中，以供其他文檔引用。

 

五、使用注意事項

l         請不要觸摸鏡頭鏡片，如果鏡頭有塵土，請用吸耳球吹去，不要用力擦試。使用完畢，請蓋好鏡頭蓋。

l         儀器使用完畢，請及時關(guān)閉電源，以避免消耗更多的電力。

l         儀器機械部件均為精密光學(xué)器件，請不要放在塵土較多的地方使用，使用完畢，要將儀器用適當?shù)姆缐m罩罩住。


                    HA接觸角測定儀

裝  箱  單

 

1	接觸角測定儀主機	1臺
2	鏡頭	1個
3	CCD相機	1套
4	液滴調(diào)整器	1個
5	注射器	1只
6	小載物臺	1只
7	電源線	1條
8	數(shù)據(jù)線	1根
9	使用說明書	1份
10	合格證	1份
11	裝箱單	1份

 

 

裝箱員：  ****                 

檢查員：  ****              

 

 

****年 **月  **日

 


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