Kontaktvinkel
En "kontaktvinkel" er et grunnleggende konsept i overflatevitenskap og fysikk som måler vinkelen der en væske eller en dråpe møter en solid overflate. Den kjennetegner fuktighetsegenskapene til overflaten. Når en væske kommer i kontakt med et fast stoff kan den enten spre seg eller perle seg, avhengig av de intermolekylære kreftene som er involvert.
Målinger av kontaktvinkel er essensielle i forskjellige felt inkludert materialvitenskap, kjemi og ingeniørfag, ettersom de gir innsikt i overflateenergien og fuktighetsegenskapene til materialer. Disse målingene har praktiske anvendelser i områder som vedheft, belegg og utforming av selvrensende eller vannavstøtende overflater.
Young likning
Kontaktvinkelen (θ) refererer til tangentlinjen til vinkelen som dannes ved kontaktpunktet der væsken berører det faste stoffet.
Kontaktvinkelen er vist i Youngs likning i illustrasjonen nedenfor.
Målemetoder
Sessile drop -kontaktvinkel (a): Dette er vinkelen (θ) som er dannet mellom den faste overflaten og tangentlinjen i utkanten av en dråpe som hviler på overflaten. Hvis dråpen sprer seg ut og fukter overflaten godt, er kontaktvinkelen liten. Hvis den perler og ikke fukter overflaten, er kontaktvinkelen stor.
Pendant Drop -kontaktvinkel (b): Denne vinkelen måles på en lignende måte som Sessile Drop, men fungerer for en dråpe som "henger" fra en overflate. Igjen forteller dette om fuktegenskapene til overflaten.
Advancing & Receding kontaktvinkler: Disse vinklene beskriver hvordan kontaktvinkelen endres når en dråpe sprer seg eller trekker seg tilbake på en overflate. Den fremrykkende vinkelen er den maksimale vinkelen når dråpen sprer seg, og den avtagende vinkelen er minimumsvinkelen når dråpen trekker seg tilbake.
Sessile Drop
Sessile Drop -metoden er en konsept og måleteknikk som brukes til å karakterisere fuktingsegenskapene til en fast overflate ved å undersøke vinkelen som er dannet mellom en dråpe væske og overflaten. Det er en av de grunnleggende metodene for å studere kontaktvinkler og for å forstå hvordan en væske samhandler med et fast underlag.
Vanligvis brukes vann til disse målingene og vannets kontaktvinkel avslører overflatenes hydrofobisitet/hydrofilisitet. Hydrofilisitet er en kritisk faktor, spesielt når du bruker coating, ettersom det påvirker overflatens fuktbarhet betydelig. Således fungerer sessile drop -metoden ofte som et kvalitetskontrollverktøy før man bruker coating for å sikre optimale overflateegenskaper.
Dråpeavsetning
En liten dråpe av en væske er forsiktig avsatt på en flat, fast overflate. Dråpen fester seg typisk til overflaten og danner en form som ligner en "flat" dråpe.
Bilde og analyse
Et kamera eller bildesystem fanger et bilde av dråpen på overflaten. Dette bildet brukes til å kalkulere og analysere formen på dråpen.
Måling av kontaktvinkel
Kontaktvinkelen bestemmes ved å måle vinkelen som er dannet mellom tangentlinjen ved skjæringspunktet for dråpekanten og den faste overflaten.
Overflatekarakterisering
Det hjelper forskere og ingeniører til å forstå hvordan en væske sprer seg eller perles på en solid overflate. En liten kontaktvinkel indikerer god fukting, der væsken har en tendens til å spre seg og feste seg til overflaten (hydrofili). Motsatt antyder en stor kontaktvinkel dårlig fukting der væsken danner en mer sfærisk form, noe som indikerer begrenset interaksjon med overflaten (hydrofobi).
Bestemmelse av overflateenergi
Kontaktvinkler målt med forskjellige væsker kan brukes til å beregne overflateenergien til det faste materialet. Dette er avgjørende for å forstå vedheftet og kompatibiliteten til materialer i forskjellige applikasjoner.
Kvalitetskontroll
I bransjer som produksjon, coating og elektronikk brukes sessile drop -metoden til kvalitetskontroll for å sikre at overflater har de ønskede fuktighetsegenskapene.
Materialutvikling
Forskere bruker denne metoden for å designe og endre materialer for spesifikke applikasjoner, for eksempel superhydrofobe eller superoleofobe coatinger.
Pendant Drop
Pendant Drop kontaktvinkel er et konsept- og måleteknikk relatert til studiet av kontaktvinkler, lik sessile drop -metoden. Imidlertid, i pendant drop -metoden er væskens dråpe hengende fra en fast overflate i stedet for å hvile på den. Denne teknikken er spesielt nyttig for å undersøke fuktighetsegenskapene til en fast overflate og væskens egenskaper.
Pendant Drop kompletterer sessile drop -metoden og gir verdifull informasjon for applikasjoner som spenner fra coating og lim til legemidler og petro-kjemikalier.
Dråpeformasjon
En liten dråpe av en væske blir dispensert fra en fin nål eller rør og den henger fra enden av nålen og danner et anhengsfall (pendant drop).
Kamera og avbildning
Et kamera brukes til å fange et bilde av dråpen, inkludert dets form og krumning.
Måling av kontaktvinkel
Kontaktvinkelen bestemmes ved å analysere formen på dråpen. Vinkelen som dannes mellom tangentlinjen ved bunnen av dråpen og overflaten av selve dråpen er kontaktvinkelen.
Overflatekarakterisering
Metoden gir innsikt i fuktatferden til en væske på en fast overflate og hjelper til med å forstå hvor effektivt en overflate frastøter eller interagerer med forskjellige væsker.
Måling av overflatespenning
Ved å undersøke formen og krumningen av dråpen kan man også beregne overflatespenningen til væsken.
Grensesnittegenskaper
Metoden kan brukes til å undersøke grensesnittegenskapene mellom forskjellige faser (f.eks. fast-væske, væske-gass eller væske-væske).
Bestemmelse av overflateenergi
Akkurat som sessile drop -metoden kan pendant drop -metoden brukes for å bestemme overflatefri energi til faste stoffer, spesielt ved å måle kontakt-vinklene til forskjellige sondevæsker.
Advancing & Receding
Advancing & Receding (Fremrykkende og Avtagende) kontaktvinkler er to ekstra kontaktvinkler målt utover den statiske eller likevekts-kontaktvinkelen (sessil eller pendant) og brukes til å forstå hvordan en væske samhandler med en solid overflate idet den fuktes eller blir våt. Disse dynamiske kontaktvinklene gir verdifull innsikt i atferden til væsker på overflater, spesielt når ytre krefter eller endringer i væskevolum er en faktor.
Fremrykkende kontaktvinkel
Definisjon: Den fremrykkende kontaktvinkelen er den maksimale kontaktvinkelen observert. Altså en flytende dråpe som sprer seg over en fast overflate.
Måling: Denne vinkelen måles vanligvis mens væsken "fremmes", noe som betyr at den sprer seg eller går videre på overflaten. Det oppstår når dråpestørrelsen øker eller en ekstern kraft (for eksempel en pumpe eller trykk) påføres for å øke dråpens volum.
Betydning: Den fremrykkende kontaktvinkelen gir innsikt i hvor enkelt en væske kan fukte overflaten. En mindre fremrykkende kontaktvinkel indikerer at væsken lett sprer seg, noe som antyder god fukting og overflateaffinitet. Denne målingen er ofte relevant i applikasjoner som coatinger og vedheftings-prosesser.
Avtagende kontaktvinkel
Definisjon: Den avtagende kontaktvinkelen er den minste kontaktvinkelen som er observert når en dråpe begynner å trekke seg tilbake eller trekke seg fra en solid overflate.
Måling: Denne vinkelen måles vanligvis når væsken går tilbake noe som betyr at den trekker seg tilbake eller avfuktes fra overflaten. Det oppstår når dråpestørrelsen avtar eller når en ekstern kraft blir brukt for å redusere dråpens volum.
Betydning: Den avtagende kontaktvinkelen hjelper til med å bestemme motstanden til en væske for å forlate overflaten. En mindre avtagende kontaktvinkel antyder at væsken avtar lettere og ikke holder seg sterkt til overflaten. Dette er viktig for å forstå overflaterengjøring, "non-stick" coating og forebygging av uønsket vedheft.
Forskjellen mellom fremrykkende og avtagende kontaktvinkel, kjent som kontaktvinkelhysteresen, gjenspeiler stabiliteten til væske-fast grensesnittet. En stor hysterese indikerer at væsken fester seg godt til overflaten, mens en liten hysterese innebærer en mer stabil og reversibel fuktingsatferd.
Hydrofili, hydrofobi og superhydrofobi
Kontaktvinkelen måles vanligvis mellom tangentlinjen ved kontaktpunktet på den faste overflaten og de to sidene av væskedråpen. Det kan kategoriseres i tre primære regimer:
Akutt vinkel (θ <90 grader): I dette tilfellet fukter væsken overflaten, noe som betyr at den sprer seg ut og fester seg til overflaten. En kontaktvinkel mindre enn 90 grader indikerer hydrofilisitet, der væsken tiltrekkes av overflaten og har en tendens til å spre seg.
Rett vinkel (θ = 90 grader): Dette blir referert til som "Young-Laplace-kontaktvinkelen." Når kontaktvinkelen er nøyaktig 90 grader, betyr det at væsken verken fukter eller frastøtes av overflaten. Den opprettholder en sfærisk form.
Stump vinkel (θ> 90 grader): En stump kontaktvinkel indikerer at væsken blir frastøtt av overflaten, og danner en mer sfærisk form. En kontaktvinkel større enn 90 grader indikerer hydrofobisitet, der væske-perler fester seg minimaly til overflaten.