接触角因测量原理的不同大致可分为影像分析法、力测量法和渗透法3种:
A. 停滴法(Sessile Drop Method):从毛细管口处至上而下滴出一液滴停在固体上表面,采集并分析液滴在固体上表面的角度,也称座滴法、静滴法、躺滴法或液滴法;
B. 停泡法(Captive Drop Method):将固体放在液体上面,液体与固体间没有空隙,用特制毛细管至下而上喷出气泡,停在固体下表面,采集并分析浸入液体中气泡在固体下表面的角度,也称气泡俘获法或贴泡法;
C. 插板法(Inserting Plate Method):将固体板插入液体中,通过改变固体板的插入角度,直至液面完全水平地达到固体的表面为止,采集并分析水平液面与固体板表面之间的夹角,也称倾板法。因液体用量较多,且无法测出曲面、多点和大于90°的接触角,所以应用范围较小。
影像分析法是目前应用较广泛的接触角测量方法,其使用环境远高于力测量法,如可测试高温条件下样品的接触角;适用于各种形状的样品分析,如斜面、凹凸面和不可切割的样品等。但其所有测试均存在人为误差,如人为判断接触角切线和水平线的误差,即使是软件自动分析也会受限于测试区域内的杂点干扰;测试前进角和后退角过程中,不同液滴量的误差也会导致接触角值的误差,相对于力测量法而言,这种缺陷是非常明显的;且无法测试润湿性粉体的接触角。
将一个固体样品板浸入测试液体中,由于液体的表面张力以及固体的表面自由能的作用,称重传感器会感测到一个向下拉的力F,根据如下计算公式:
F=γLG·cosθ·P (1)
(1)式中P为板的周长,因此只要测得力F的值,就可以看出接触角θ值,当然以上我们没有考虑被测样品的浮力。如果提升或降低样品浸入的深度,就可以测得后退角或前进角的值。
力测量法可通过不断的升降板测得整个样品的平均接触角值;分析接触角随时间的变化而变化的动态接触角体系。但采用力测量法对于样品材质的均匀度和平整性要求较高;样品要足够小和轻,不能超过称重传感器的量程范围,且周长、高度等几何参数要已知;要保证有足够量的液体让样品侵入;受温度影响较大,无法测量高温条件下样品的接触角。
A. 透过高度法:液面在毛细力的作用下会在粉体柱中上升,上升的最大高度h由下式决定:
h=-2·γ·cosθ/(ρ·g·r) (2)
(2)式中γ为液体表面张力、θ为接触角、ρ为液体密度值、g为重力加速度、r为粉体柱的等效毛细管半径。由于粉体柱r值无法直接测定,通常采用标准液体校正的办法来解决,即用一个已知表面张力、密度和对所研究粉末接触角为0的液体先测定其透过高度。通过计算此时的透过高度换算出r值。然后再用另一种液体测定,计算出接触角值。
由于粉体柱的等效毛细半径与其粒子大小、形状及填装紧密程度密切相关,故对样品填装方法的统一性十分重要,此外还需要足够的平衡时间以保证达到毛细上升的最大值。
B. 透过速度法:根据Washburn方程可知,若液体由于毛细作用渗入半径为r的毛细管中,渗透过程中压缩粉体柱中的气体而引起的压力差的平方△P2是时间t的函数,其方程为:
△P2=[(β·γ·cosθ)÷η]×t (3)
(3)式中β为与粉体柱本身性质有关的参数、γ为液体表面张力、η为液体粘度;θ为润湿接触角。作出ΔP2—t关系图,将得到一条近似的线性直线,求出斜率K,得到:
K=(β·γ·cosθ)÷η (4)
从而可得:
θ=arcos(K·η)÷(β·γ) (5)
(5)式中η/γ仅与润湿液体的性质有关,可以查表得到,K值也可以得到,关键是确定β值。一般用一种对样品的润湿角为零度的液体,即用完美润湿液体(润湿性最好的液体,其相应的接触角为0°)进行实验,得到相应的β值,由它便可以测试出在同等实验条件下其它液体与该粉体的接触角。