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| 接觸角測量方法 |
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一.
概述
接觸角 (contact angle) 是液/氣-界面接觸到固體表面時形成的角，以度(degree)計，介於0到180度之間。
對於一給定的體系，接觸角是特定的，取決於三相界面（液/氣、固/氣和液/固）間的相互作用。接觸角的概念經常用右圖所示的在一固體表面平面上形成的小液滴來表示。理想的情況下，這一小液滴應儘量足夠地小，避免液滴本身的重力影響到接觸角。達到平衡時的液滴的形狀由Young-Laplace方程式決定，接觸角此時存在邊界條件的作用。
1.1 測量方法
座滴法“Sessile Drop ”或貼泡法“Captive
Bubble”
座滴法是測量接觸角的光學方法。這一方法可用來估計固體表面某一局部區域的潤濕性。可直接測量介於液滴基線和液/固/氣-三相接觸點處的液/固-界面切線間的角度（接觸角）。座滴法是測量接觸角的最常用直接測量法，除通常的平面固體表面外，也適合測量彎曲固體表面上的接觸角，且對表面不均勻或不
一致的樣品也適用（局部區域的潤濕性測量或固體表面均質性的表徵等）。
1.2 一些典型的接觸角範例
在一些非常親水的表面，一個水滴滴上去後會完全鋪展開，其有效接觸角為0度。這種現象也發生在對水具有很大親和力的固體表面（包括吸水性的材料）。
在許多親水性的表面，一個水滴滴上去後會形成一介於0到30度的接觸角。在一些高疏水性、與水不相容的表面，水滴會在其上面形成一大的接觸角，介於70到90度。水滴在某些表面的接觸角可大到150到180度，在這些表面，水滴其實是坐在上面，並沒有真正潤濕這一表面。這些表面被稱為超疏水性表面，可通過對一些含氟（或經過Teflon類的塗料處理）的表面引入一些微觀結構來達到/實現。
因此通過對接觸角的測量，可獲得有關表面與液體相互作用的資訊。
二.
測量
現行的軟體提供座滴法“Sessile Drop”或貼泡法“Captive
Bubble”來進行液/ 固/氣-體系的接觸角測定。 要使用座滴法測量，請在右圖軟體功能表中選擇“Sessile
Drop”（若要使用貼泡法測量，則請選擇“Captive
Bubble” 法）。
2.1 測量/計算方法
現行的軟體提供了4種計算接觸角的方法，並支援單一計算（Single
Computation）或連續計算（Batch Computation）。不同的方法有不同的適用範圍和優缺點，因此在實際測量中，應根據不同的具體情況，選擇最適合的計算方法。
(1) Laplace-Young公式法
此方法是基於以下的原理：液滴（或氣泡）達到靜力學平衡時的形狀由Young-Laplace方程決定，其接觸角在這裏存在邊界條件的作用。在具體計算中，為了使方程式可解，又引人了液滴（或氣泡）的軸對稱假定。
此一方法原則上適用於所有基本符合軸對稱前提的液滴（或氣泡）。但實際經驗告訴我們，由於表面的非均質性和種種缺陷的存在，液滴在表面的形狀或多或少偏離軸對稱性，且往往接觸角越小，偏離軸對稱性的程度越大。接觸角足夠大的液滴（如100度以上）一般能較符合軸對稱的前提。所以Laplace-Young法特別適合接觸角大的液滴，但只有液滴的形狀符合或接近符合軸對稱的前提，不管接觸角多大，此方法均適用。另外此方法已經考慮了重力對液滴形狀的影響，所以對液滴體積大小都適用。
通常情況下，當接觸角大於約60度時可選用此方法。 注意：本方法是一整體液滴法。在計算時考慮的是整個液滴的輪廓形狀，不是局部，所以當液滴的形狀受到其他物體干擾時，如針管置於液滴內，就會影響方法的準確性，甚至不再適用。
因此，應盡可能使用正確的操作方法，適當地設置/調節你的測量裝置，以確保所產生的用來進行測量的液滴或氣泡儘量接近軸對稱性，此對保證測量的精度和可靠性都非常必要。
(2) Conic圓錐法
本方法運用二次曲線方程式來擬合液滴的輪廓形狀，從而計算出接觸角。程式採用了獨特的精緻演算法，以保證幾乎對任意的液滴都能達到最佳的曲線擬合結果。
由於此方法未對液滴的形狀作任何假定，所以其適用範圍不受液滴形狀的限制，不但可用於軸對稱的液滴，也同樣可用於不符合軸對稱的液滴。適用的角度範圍是所有方法中最廣的一種，從接近0度起，通常可高到130度左右。
Conic法由於其通用性廣，精度高，是現有程式的通用計算法。注意：本方法也是一整體液滴法。在計算時考慮的是整個液滴的輪廓形狀，不是局部，所以當液滴的形狀受到其他物體干擾時，如針管置於液滴內，就會影響方法的準確性，甚至不再適用。
(3) Circle 圓形法（液滴高度/寬度法）
本方法運用圓方程式來擬合液滴的輪廓形狀，從而計算出接觸角。
由於此方法假定了液滴（截面）的形狀為圓的一部分，所以其適用範圍只限於球狀或接近球狀的液滴。由於重力的影響，嚴格地講，液滴的形狀都偏離球型：偏離的程度隨液滴的體積增大而增大；在同樣的體積下，液體的比重越大，表面張力越小，偏離的幅度也越大。
通常情況下，對於體積小於5微升的水液滴，其所受的重力對形狀的影響被認為小到可忽略不計，此時可用本方法計算。
文獻中提到通過測量液滴的高度和寬度來計算接觸角的方法其實就是圓法最簡單運用。而上面提到的Conic法其實也已包括圓形法，因為圓方程式只是二次曲線的一特例。
當液滴的體積較大，或液體的比重很大，或液體的表面張力相對較小，造成其形狀明顯偏離球形，此時運用本方法可能會導致很大的測量誤差，可大至幾十度。所以一定要注意本方法的局限性。
我們建議本方法只用來計算接觸角小於30度的液滴，或形狀等於或接近於球的液滴。
注意：本方法也是一整體液滴法。在計算時考慮的是整個液滴的輪廓形狀，不是局部，所以當液滴的形狀受到其他物體干擾時，如針管置於液滴內，就會影響方法的準確性，甚至不再適用。
(4) Tangent 切線法
切線法是將液滴靠近液/固/氣-三相接觸點附近的一段輪廓擬合到一合適的二次曲線模型，從而確定界於液滴基線和三相接觸點處的液/固-界面切線間的角度，即接觸角。
與上面提到的所有其他的方法都不同，切線法是一局部液滴法。在計算時考慮的不是整個液滴的輪廓形狀，而只是三相接觸點附近的局部一段輪廓，所以當液滴的形狀受到其他物體干擾時，如針管置於液滴內，並不會影響本方法的準確性。另外它也未對液滴的形狀作任何假定，所以其適用範圍不受液滴形狀的限制，不但可用於軸對稱的液滴，也同樣可用於軸不對稱的液滴。適用的角度範圍是所有方法中最廣的一種，從約5度起，到180度都可用。
因為切線法是一局部法，這是它的優點（不受液滴的形狀的任何限制），也是它的弱點：對軸對稱的液滴，其穩定性，可靠性和精確性通常比不上Conic法和Laplace-Young法。
在測量前進接觸角和後退接觸角時，往往採用將加液的針頭埋入到液滴中，然後通過不斷加液或將液體吸掉，同時測量/紀錄接觸角的方法。在這種情況下，由於埋入的針頭對液滴形狀的干擾，其他的整體輪廓分析法就不再準確或不再適用，此時切線法往往是唯一的選擇。
另外於使用旋轉樣品台時，當傾斜角度增大時，液滴兩側嚴重不對稱，此時切線法基於其不受液滴形狀任何限制的特性，也成為不二的選擇。
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