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如何準確測量水下疏油涂層的接觸角?——實驗方法與案例分析

發布時間:2025-05-12 點擊次數:254

水下疏油表面的接觸角測量相較于常規的氣相環境更為復雜,需通過特殊技術模擬水下環境并排除干擾。

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以下是詳細的測量方法和注意事項:

1. 測量原理

水下疏油接觸角是指油滴在水下環境中與固體表面形成的接觸角,反映表面抗油污染能力。測量時需確保油滴(如二碘甲烷、十六烷)在水環境中穩定沉積于待測表面。

2. 測量方法

(1) 實驗裝置搭建

- 透明水槽:填充去離子水或特定溶液,確保光學透明度便于觀測。

- 注射系統:使用疏水針頭(如PTFE涂層)注入油滴,避免針頭親油導致油滴殘留。

- 光源與高速相機:側向冷光源避免發熱擾動,相機需高幀率捕捉油滴動態(如150-1000 fps)。

- 樣品固定:傾斜樣品臺可測滾動角,水平臺測靜態角。

(2) 關鍵步驟

- 環境控制:排除表面活性劑或氣泡干擾,可預通氮氣除氧。

- 油滴釋放:針頭貼近表面緩慢注油(0.5-2 μL/滴),避免沖擊力影響形貌。

- 動態監測:記錄油滴接觸后10秒內的形態變化,取穩定值(通常5秒后)。

(3) 圖像分析

- 軟件擬合:Young-Laplace方程(小滴)或多項式擬合(大滴),注意排除基底折射影響。

- 三相點確認:水下環境需清晰識別油-水-固交界線,必要時染色油滴(如油紅O)。

3. 注意事項

- 油滴選擇:密度需高于水(如二碘甲烷ρ=3.3 g/cm3),避免上浮;低粘度油(如癸烷)易鋪展,需快速測量。

- 表面清潔:紫外臭氧處理或等離子清洗后立即測量,避免表面重組。

- 溫度控制:恒溫20-25°C,溫度波動±0.5°C內,避免對流擾動。

- 數據重復:至少測5個位點,剔除異常值(如受基底缺陷影響)。

4. 技術難點與解決方案

- 油滴脫離針頭:改用超疏水針頭或微納結構針尖。

- 界面模糊:添加熒光染料(如尼羅紅)并用共聚焦顯微鏡增強對比度。

- 基底透光校正:若基底折射率與水接近(如PDMS),需校準鏡頭焦距。

5. 文獻參考

- 經典方法:參考《Langmuir》2015年論文"Underwater Oleophobicity Measurements"的密閉流動池設計。

- 動態角測量:采用傾斜臺法時,建議油滴體積≤5 μL以減小重力影響。

通過上述方法,可準確表征水下疏油性能,為海洋防污涂層、微流控芯片等應用提供量化依據。若需進一步優化,可結合原子力顯微鏡(AFM)分析表面粗糙度對接觸角的影響。

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