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便携式视频光学接触角测量仪/水滴角测量仪应用范围及其优缺点

便携式视频光学接触角测量仪和水滴角测量仪是针对于台式标准框架结构的接触角测量仪或水滴角测量仪而言的一种特殊框架结构的接触角测量仪或水滴角测量仪。目前,便携式接触角测量仪在安装了大视野范围的镜头和大尺寸芯片的CCD相机后,可以实现同一张图像范围内多液滴的图像,结合多液滴进液系统,从而可以实现自动表面自由能分析测试仪的功能。

第一、从可注入的液体的种类来讲,便携式视频光学接触角测量仪与便携式水滴角测量仪的区别

便携式视频光学接触角测量仪或自动表面自由能测试仪(多液滴系统)的应用范围大于水滴角测量仪。水滴角测量仪仅仅是指采用蒸馏水或纯水作为探针液体的接触角测量仪。接触角测量仪是可以采用多种完全不同的液滴。

第二、从接触角或水滴角的定义来看,接触角测量仪或水滴角测量仪与一般的数码量角器的区别

接触角的定义是指由于表面张力(固体或液体)作用造成液滴在固体表面形成一个侧视条件下的近球冠形状。水滴角特指该液体为蒸馏水或超纯水。目前,接触角定义所涉及的最主要界面化学原理为杨三角公式(Young式方程)以及Young-Laplace方程。而测试基于界面化学意义上的接触角值唯的可靠的方法也就是采用Young-Laplace方程拟合算法。

Young-Laplace方程拟合算法与圆拟合法一样,其第一、二代的算法(基于Select Plance算法的Young-Laplace方程拟合为第一代,ADSA-P算法-A.W.Neumann团队提出为第二代算法)均需要液滴侧视图时的左、右轮廓对称。椭圆拟合以及切法法对于部分液滴可以实现轮廓的左、右不对称,但其属于几何意义上的量测角度,与界面化学无关。而且,圆拟合、椭圆拟合、切线法量测的角度值与Young-Laplace方程拟合法时存在明显差异,对进液以及材料本身有较高要求,因而通常情况下这些算法不作为界面化学领域接触角测量所用。事实上,对于以前的含有一代Young-Laplace方程算法的商业化的软件而言,让客户最为不方便或心存疑惑的是,究竟哪个算法是最好的?更多的时候会发现,拟合轮廓明显与实际轮廓不一致;有时也会出现拟合轮廓较好,但是测值结果明显存在偏差的情况。在没有新的算法的情况下,我们只能通过测试不同算法如椭圆或Young-Laplace方程拟合的结果,并取一个自己认为合适的角度值作为表征。但这种操作真的合理了?

ADSA—RealDrop算法(阿莎算法)为第四代Young-Laplace方程拟合算法,可以实现液滴侧视或顶视条件下的左、右轮廓不对称条件下的液滴轮廓分析,真正可以实现对于所有各种图像的近100%成功率的分析。

通过如上的分析,我们可以认为,符合界面化学的科学原理的真正测量接触角的条件应为:

1、阿莎算法-ADSA-RealDrop:表面张力、重力、界面张力、浮力(气泡捕获法时)应综合参与到接触角的测量中;

2、正侧视观察或正向垂直向下俯视:其中,以正侧向方观察为主要要求技术要点。而要实现正侧向方观察的目标,需要三个方面技术的配合:

(1)样品台可进行高精度水平度调整:目前常用做法是仅提供整体的水平调整脚而没有专门的样品台水平调整功能,更谈不上高精度水平调整。上海梭伦专利的技术为提供微分头控制的二维水平调整机械,调整位移精度可达0.01mm,换算角度可达0.001度左右;

(2)镜头水平调整功能:目前通常仅提供镜头的俯仰调整功能。上海梭伦专利的滚动角平台加上镜头俯仰微分头控制功能,可以实现高精度水平控制,同时,为测试动态接触角的前进、后退角、基于粗糙度和化学多样性修正的本征接触角提供可能;

3、彩色摄像机、平行光轮廓:侧视情况为轮廓分析精度最高的光学结构是平行光结构以及彩色摄像机,可以真正实现切测轮廓的目标,实现真正意义上的亚像素测量。而非平行光以及黑白相机则会出现黑、灰的过渡色,影响测值结果。

综合如上而言来分析便携式接触角测量仪的硬件和技术实现:

第一、无法实现真正意义上的正侧视测量目标。从上海梭伦申请的相关专利可以看出,便携式接触角测量仪采用了90度棱镜进行光路折转,样品上表面位于镜头的下方,因而必然会存在俯视角。通常情况为俯视角为1-2度。而此时的角度变化范围以及误差可参考我们公布的其他文献。这种误差根本无法通过软件修正。

第二、目前商业化的便携式接触角测量仪通常仅为进口的仪器。国内的所谓便携式接触角测量仪没有提供阿莎算法。

部分商业化的便携式接触角测量仪还存在的缺陷在于:

第一、大量采用了塑料件作为进液装置,极易造成有机溶液的互溶;

第二、采用了喷射针头,试图解决超疏水条件下的接触角测量。但是喷射针头的另一个更不可接近的事实上,无法测量探针液体的表面张力值,从而确认探针液体本身的稳定性,进而保证接触角测量值的重复性。

从便携式接触角测量仪设计的初衷来讲:

便携式接触角测量仪的设计初衷最主要在于测试大样品表面,如100寸大液晶屏的接触角值。因为,90度棱镜转换条件下,可以贴在样品上表面进行测量。但是,我们一直忽略的一个事实上,液晶表面的接触角测量是一个小角度,在俯视条件下,这个小角度被大大放大,从而无法用于评估角度值,更谈不上评估Plasma效果了。

目前,上海梭伦提供工作距离达2米甚至更远的超远显微镜,可以实现正侧视条件下的100寸液晶屏的接触角测量。因而,相对而言,便携式接触角测量仪在这个应用的缺陷让其没有任何价值。

便携式接触角测量仪本身俯视的缺陷造成其便携的目标也变得没有意义。美国科诺2018年最新款接触角测量仪提供了便携式功能,可以测试任意大小样品,自重非常轻,可以实现便携的目标。

接触角测量仪

便携式接触角测量仪

便携式接触角测量仪

   
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上海梭伦信息科技有限公司(www.surface-science.com.cn)主要提供:接触角测量仪、 水滴角测量仪、接触角仪、接触角测定仪、
表面张力仪、界面张力仪以及TOF芯片及相机。上海梭伦为美国科诺中国战略投资公司,上海市高新技术企业,
拥有20多项接触角测量仪和表面张力仪的专利技术。

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