[发明专利]一种悬滴法固体表面自由能测试装置及方法

说明书

本发明公开了一种悬滴法固体表面自由能测试装置及方法，属于界面化学分析测试技术领域。包括可在竖直面内进行360度旋转的旋转机构、固定在所述旋转机构上的升降机构以及固定在所述升降机构上的可调节样品台和固定在所述可调节样品台上的样品夹具。通过设计一个可360度旋转的测试装置，形成悬滴法状态下测试固体材料的接触角值，并通过同时测试悬滴法时液体的表面张力值以及修正后的3D接触角值，有效的避免停滴法接触角测量时滞后的接触角对测试结果的明显影响，提升测试精度，提高测值结果的科学性以及可靠性，测值精度高，操作方便，具有非常高的推广价值。

技术领域

本发明专利涉及一种采用悬滴法测试固体材料的表面自由能的测试装置以及相应的测试方法，用于表征固体材料的固-气界面间以及固-液或固—液-液三相体系间的物理化学性质，属于界面化学分析测试技术领域。

背景技术

固体的表面自由能是一种表征固体材料的物理化学性质的最主要指标。目前，通常的固体表面自由能的测试方法是，通过测试固体材料表面形成的停滴状态（sessiledrop）条件下的接触角的方式，并采用包括Owens、equation of state( A.W.Neumann教授)、Acid base、Wu等数学模型之一进行分析。接触角的定义在赵国玺著《表面活性剂作用原理》第494页被描述为“固、液、气三相交界处，自固液界面经液体内部在气液界面的夹角”，而在附图一中可见接触角目前的表述通常是停滴的液滴状态（Sessile drop）。在这种液滴状态中，重力向下作用于固-液界面。但是，由于材料的界面化学性质，固体材料的表面自由能的外显过程与液体材料完全不一致，固体材料自身固有的如表面粗糙度、化学多样性、异构性等特性存在（这三个现象也称为接触角滞后现象），导致现有的接触角测试模型所测得的接触角值与实际的真实接触角值存在很大偏差。这种差异目前仅仅通过简单的粗糙度修正模型或Wenzel-Cassie模型进行简单的纯理论性的推导（R. Wenzel, \Resistance of solod surfaces to weting by water, Ind. Eng. Chem. 28, 988(1936)，以及A.B.D. Cassie, S. Baxter, Trans. Faraday Soc. 40 (1944) 546–551.），而没有准确的可用于科学性意义上的表征或测量手段运用的实践。根据Wenzel方程equation.

cosθW = r cosθY :

θW为含有粗糙度修正的接触角值，而θY为绝对光滑表面的接触角值，r为表面粗糙度。即，存在表面粗糙度的情况下，实际的接触角值比表观接触角值理论上更小。如附图二所示。通过实验，我们证实，真实世界的纳米结构（绒状结构）导致的接触角的变化情况远比Wenzel方程所复杂。因而，亟需一种更为科学，简单的测试方法完成接触角滞后现象的测试。

作为固体表面自由能所使用的基础数据即接触角值的测试方法，Authur.W.Adamson在《Physical Chemistry of surfaces》、Gianangelo Bracco在《surface science techniques》总结了众多接触角的测试方法，包括停滴(Sessile drop)（气泡捕获法/Captive bubble）、插板法、渗透法等等。其中，实际应用过程中，通常采用的测试算法为停滴法（Sessile drop），其显著特征为重力作用下，液滴往被测试样品上表面压。与停滴法相对应的还有一种液滴状态是气泡捕获法（captive bubble），即将被测试样品浸入到液体内，在样品的下表面形成一个浮起的气泡，此时的作用力是浮力将气泡压向被测试样品下表面，以力的作用方向与停滴法时具有同等特征。在实际应用停滴法或气泡捕获法时，由于接触角滞后现象的不确定性，因而，测值结果的实际可靠性存在一定的误差。