动态接触角

在做接触角测试时，科学指南针检测平台工作人员在与很多同学沟通中了解到，好多同学对动态接触角不太了解，针对此，科学指南针检测平台团队组织相关同事对网上海量知识进行整理，希望可以帮助到科研圈的伙伴们；

动态接触角一般是对于疏水材料而言。如果测量时，液滴的三相界面前沿正处于移动状态，那么这样测量得到的接触角值称为动态接触角（Dynamic Contact Angle）。如果这一正在进行中的移动是扩展的，对应的动态接触角称为前进（中的）接触角，简称前进角θ_A；如果这一正在进行中的移动是收缩的，对应的动态接触角称为后退（中的）接触角，简称后退角θ_R。润湿动力学研究的目的是揭示动态接触角与接触线（或者固体衬底）移动速度、液体物性和固体衬底物性之间的关系。

测量动态接触角值目前有以下几种基本的方法：

（1）液滴体积增、减法（method of drop growing/shrinking）；

动态接触角

考虑一个在水平平面上具有稳定接触角的液滴，若表面是理想光滑和均匀的，往这液滴上加少量液体，则液滴周界的前沿向前拓展，但仍保持原来的接触角；从液滴抽去少量液体，则液滴的周界前沿向后收缩，仍保持原来的接触角。相反，如果表面是粗糙或者不均匀的，向液滴加入一点液体只会使液滴变高，周界不动，从而使接触角变大，此时的接触角为前进接触角。若加入足够多的液体，液滴的周界会突然向前蠕动，此突然运动刚要发生时的角度为最大前进角。若从液滴中取出少量液体，液滴在周界不移动的情况下变得更平坦，接触角变小，此时的接触角为后退接触角，当抽走足够多的液体，流溢周界前沿会突然收缩，此突然收缩刚要发生时的角度为最小后退角。

图1 (a)增加液体，接触角前进。每一次运动中止时，液体呈现出前进接触角（θ_A）；(b)移动液体，接触角后退，接触角减小，液滴呈现后退接触角（θ_R）

在运用这一测量方法时，必须注意以下几点：

1）体积变化的速度应足够低，尽量保证液滴在整个过程有足够的时间来松弛，使得测量能在准平衡下进行；

2）由于这一过程中一般都有针头/毛细管的埋入以加入/移走液体，针头/毛细管的直径一定要（与液滴相比）足够小，使液体在针管/毛细管外壁上的润湿不会对液滴在固体表面的接触角产生影响，这一点尤其是对后退角的测量更为突出，否则测得的值将严重偏离真实值；

3）同样由于过程中针头/毛细管的埋入，由于润湿的不均匀性使得液滴一般不再呈现中心轴对称，也不再能被看作是圆或椭圆的一部分，所以基于Young-Laplace、圆或椭圆方程式的计算方法都将遇到困难，带来较大误差。此时一般使用广义切线法，但此方法往往对少量的背景噪音较敏感。

（2）倾斜板法（Method of Tilting Plate）

倾斜板法是将一足够大体积的液滴置于待测的样品表面后，缓慢地倾斜样品表面，同时跟踪液滴形状（包括接触角值）和位置的变化。刚开始时液滴不一定立即发生移动，而只是其中的液体由上方（高位，upper-side）向下方（低位，down-side）转移，使得下方的接触角不断地增大，而上方的接触角则不断地变小（图2）。当表面倾斜到一定角度时，液滴（的一方或双方）开始发生滑动。液滴下方发生滑动前夕对应的接触角就是前进接触角，而液滴上方发生滑动前夕对应的接触角就是后退接触角。当液滴整体刚刚开始发生滑动（或滚动）时的倾斜角α，称为起始滑动（滚动）角。

图2 倾斜表面的液滴及其上的前进接触角（θ_A）和后退接触角（θ_R）

倾斜板法目前有二种不同的实现方法：

1）整体倾斜法：将整套接触角测量仪置于摇篮状的倾斜架上，让包括摄像机、光学镜头、样品台、样品、加液装置、液体容器和光源等组件的整套仪器同时倾斜。这种构造和操作的主要优点在于：液滴相对于摄像机和光学镜头在整个过程中始终保持相对不倾斜，这样设置计算比较容易。而其缺点也很为明显：仪器越大、样品越大/越重，所需要的倾斜架也越大，显得很笨重；由于仪器上的所有东西都跟着一起倾斜，使得有些液体会倒出来，同时使得在倾斜作态无法加液产生液滴，液滴必须在倾斜前已经被置于样品表面。另外整体倾斜很难让倾斜角度高达180°。

2）局部倾斜法：只倾斜样品台和其上面的样品（包括可能已放置上去的液滴），其它的所有部件均保持不动。这种做法可以避免整体倾斜法的所有缺点，使得仪器尺寸紧凑，硬件制造成本降低，也能容许在任何倾斜角度下加液形成新液滴，或者往已经形成的液滴添加液体，而且能实现全范围的倾斜（0~360°）。

在倾斜面上，可以同时看到液体的前进角和后退角，若没有接触角滞后的话，平板只要稍微倾斜液滴就会滚动。

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