水滴接触角测试仪

背景“民以食为天“，可食用的农作物是人类基本食物的来源之一。农作物的生长，离不开科学的科技生产技术，以及为技术提供高精度服务的科学设备。现阶段，化学农药依然是防治病虫草害最主要的手段。农药在施用过程中，如何实现让尽可能多的药液在靶标表面沉积、润湿、附着，以达到农药有效成分的渗透和传递，进而发挥防治效果是所有研究者的研究方向，这和绿色农业的发展目标息息相关。药液在叶片上的润湿和铺展等已经被普及过很多次，但农药雾滴在叶片上的弹跳行为，也要引起重视。因为自然界有很多超疏水植物叶片， 由于其极低的表面能 ，水滴撞击后极易反弹和溅射 ，造成农用化学品在喷洒过程中的浪费和损失超过50%。为消灭病虫害不得不重复喷洒 ，又造成农药过度使用和水资源浪费，对食品安全和农药残留有重大影响 。没有滞留在叶片表面上的农药会流人土壤和湖泊，造成二次生态污染。因此 ， 研究水滴在超疏水表面上的沉积问题对提高农用化学品的利用率、减少浪费和环境污染等具有非常重要的意义。 KRÜ SS以往采用的用于接触角测量的科学相机，其参数主要侧重在图像的表现力和真实性上，具有高的动态范围和饱和容量、最低的颞暗噪声以及高的像素上，可以获得低速时高清且真实的液滴图像，但在1000fps时的图像较窄，只有约1000×100pixel，视野范围不足以观测整个液滴的弹跳范围；而最新的CF10高清高速相机，其最高速度3450fps，在1000fps时的分辨率可达690×540pixel，辅以KRÜ SS特殊优化过的软件设置和配套光源，一般的液滴弹跳行为可清晰观测，而且成本低廉，让您一机两用，使用非常方便。一般来说，雾滴与界面撞击后会出现六种结果：完全沉积、迅速飞溅、冠状飞溅、向上回缩、部分反弹、全部反弹。不同的结果主要是由固体界面的润湿性和碰撞溶液自身的理化性质两方面因素导致的。 随着近年来对超疏水表面结构和性能的不断深入和高速摄像机的普遍使用，新的撞击动力学不断地出现 ；结合药物喷洒实际条件的复杂性，增强水滴在超疏水表面上的单次撞击的沉积行为与机理研究也应不断深入和跟进。另外，在整个病虫害防治过程中，了解药液的动态表面张力，药液在叶片上的润湿性以及植物叶片的表面能等，对于充分发挥农药药效，也有重要意义。一、动态表面张力在农药喷洒过程中，喷雾器中农药液滴的飞行时间将对喷洒性能产生很大的影响。在液滴喷洒出来后，农药中的表面活性剂能够多快的降低新形成界面的表面张力，则是决定润湿过程中的第一步。例如我们用KRÜ SS的BP100动态表面张力仪测试添加了两种不同表面活性剂农药的动态表面张力。喷雾过程中尺寸效应的关键因素为初始表面张力降低的快慢，即通常认为是液滴形成后前250ms内的表面张力。图1.不同表面活性剂农药的动态表面张力二、接触角接触角是表面科学的重要参数之一，表征液体在固体表面的润湿性能。农药要发挥高的使用效率，首先要能在靶标物质上铺展和滞留，这就要求喷施的药液具有较好的润湿性，而接触角就是评价润湿性的重要指标之一。接触角越小，药液在植物叶面上的持留就会越好。但如果接触角过小，就会造成药液在植物叶面上的过于展开和润湿，形成过薄的药膜而流失。例如用DSA25接触角测试仪测试的农药初始接触角为86度，而添加了表面活性剂的农药后，接触角很快降低到50-60度。 图2.不同表面活性剂农药的接触角三、植物叶片临界表面张力植物叶片的临界表面张力也是表面润湿性的经验参数，小于此表面张力的农药可以在叶片表面铺展。由于不同植物的表面结构差异很大，因而临界表面张力有很大不同，了解植物的临界表面张力，可以更好的指导农药中表面活性剂的添加，稀释和具体使用等。表1. 21种植物的临界表面张力四、临界胶束浓度（CMC） 农药在低于表面活性剂临界胶束浓度（CMC）的情况下，浓度越高，润湿性越好，达到临界胶束浓度后，才可能不因气液界面的扩大而增大农药的表面张力，使农药在叶片上更好的润湿和铺展。例如用DSA25接触角测试仪测试水稻的表面能介于30-36mN/m之间，农药经水稀释后，药液内的表面活性剂浓度应大于临界胶束浓度（可用K100表面张力仪测试得到CMC），且表面张力小于水稻的表面能，才能使得药液在叶片上润湿铺展，提高农药利用率。五、滚动角由于大部分植被树叶表面并不是水平的，当液滴滴落在叶片表面，且不能够快速润湿时，液滴由于重力的作用而滚落。滚动角和农药的沉积和稳定持留量相关，大的接触角、大的液滴体积和重量会导致液滴滚落，浪费农药。 图3. 不同表面活性剂的滚动角农作生长过程中，需综合考虑界面化学的各方面因素（动态表面张力，弹跳行为，接触角，滚动角，表面能，临界胶束浓度），才能充分发挥农药药效，保证农作物健康生长。参考文献1，徐广春，顾中言.常用农药在水稻叶片上的润湿能力分析[J].中国农业科学，2012,45 2，卢向阳. 几种除草剂药液表面张力、叶面接触角与药效的相关性研究[J].农药学学报, 2002,14. 3，KRÜ SS应用报告AR261: Surfactant Additives for Pesticide Formulation. 4，陈青,等农药液滴在植物枝叶表面润湿特性研究进展[J].中国农机化学报，2020，9（41）：35-40

接触角测量仪是一种用于测量液体在固体表面上接触角的仪器。其原理基于Young方程，该方程描述了液体与固体表面之间的相互作用。当液体与固体表面接触时，液体分子会受到吸引力，固体表面分子会受到斥力。这种相互作用的平衡可以用接触角来描述，即液体与固体表面的接触线的夹角。当接触角越小，说明液体与固体表面之间的相互作用越强。接触角测量仪通过将液体滴在固体表面上，然后测量液滴与固体表面之间的接触角来确定液体与固体表面之间的相互作用力。常见的接触角测量方法包括静态接触角测量和动态接触角测量。静态接触角测量是指液滴在固体表面上静止不动时的接触角测量方法，动态接触角测量是指液滴在固体表面上移动时的接触角测量方法。水滴角是指水滴在固体表面形成的接触角，它通常用于描述液体与固体表面之间的相互作用。水滴角的大小取决于液体和固体表面之间的相互作用力，其中包括液体和固体表面之间的粘附力和液体内部分子之间的相互作用力。当液体和固体表面之间的粘附力大于液体内部分子之间的相互作用力时，液体将展开并形成一个较大的接触角，这被称为亲水性。相反，当液体和固体表面之间的粘附力小于液体内部分子之间的相互作用力时，液体将形成一个较小的接触角，这被称为疏水性。因此，水滴角的大小取决于液体和固体表面之间的相互作用力，这种相互作用力又与固体表面的化学性质、形态和表面能等因素密切相关。

一、液-固界面接触角的测量的实验目的1. 了解液体在固体表面的润湿过程以及接触角的含义与应用。2. 接触角测定材料表面接触角和表面张力的方法。二、接触角测量的过程 ： 用接触角测量仪注射器针头将一滴待测液体滴在基质上。液滴会贴附在基质表面上并投射出一个阴影。投影屏幕千分计会使用光学放大作用将影像投射到屏幕上以进行测量。三、接触角测量原理 润湿是自然界和生产过程中常见的现象。通常将固-气界面被固-液界面所取代的过程称为润湿。将液体滴在固体表面上，由于性质不同，有的会铺展开来，有的则粘附在表面上成为平凸透镜状，这种现象称为润湿作用。前者称为铺展润湿，后者称为粘附润湿。如水滴在干净玻璃板上可以产生铺展润湿。如果液体不粘附而保持椭球状，则称为不润湿。如汞滴到玻璃板上或水滴到防水布上的情况。此外，如果是能被液体润湿的固体完全浸入液体之中，则称为浸湿。上述各种类型示于图1。 光学接触角测量仪可以记录液滴图像并且自动分析液滴的形状。液滴形状是液体表面张力、重力和不同液体样品的密度差和湿度差及环境介质的函数。在固体表面上，液滴形状和接触角也依赖于固体的特性（例如表面自由能和形貌）。使用液滴轮廓拟合方法对获得的图像进行分析，测定接触角和表面张力。使用几种已知表面张力的液体进行接触角测试可以计算得到材料的表面自由能。 作为光学方法，光学接触角测量仪的测量精度取决于图片质量和分析软件。Attension光学接触角测量仪使用一个高质量的单色冷LED光源以使样品蒸发量降到zui低。高分辨率数码镜头、高质量的光学器件和精确的液体拟合方法确保了图片质量。图1 各种类型的润湿当液体与固体接触后，体系的自由能降低。因此，液体在固体上润湿程度的大小可用这一过程自由能降低的多少来衡量。在恒温恒压下，当一液滴放置在固体平面上时，液滴能自动地在固体表面铺展开来，或以与固体表面成一定接触角的液滴存在，如图2所示。图2 接触角假定不同的界面间力可用作用在界面方向的界面张力来表示，则当液滴在固体平面上处于平衡位置时，这些界面张力在水平方向上的分力之和应等于零，这个平衡关系就是著名的Young方程，即γSG - γSL = γLGcosθ 式中γSG，γLG，γSL分别为固-气、液-气和固-液界面张力；θ是在固、气、液三相交界处，自固体界面经液体内部到气液界面的夹角，称为接触角，在0o-180o之间。接触角是反应物质与液体润湿性关系的重要尺度。在恒温恒压下，粘附润湿、铺展润湿过程发生的热力学条件分别是：粘附润湿，铺展润湿， 粘附润湿、铺展润湿过程的粘附功、铺展系数。 以上方程说明，只要测定了液体的表面张力和接触角，便可以计算出粘附功、铺展系数，进而可以据此来判断各种润湿现象。还可以看到，接触角的数据也能作为判别润湿情况的依据。通常把θ＝90°作为润湿与否的界限，当θ＞90°，称为不润湿，当θ＜90°时，称为润湿，θ越小润湿性能越好；当θ角等于零时，液体在固体表面上铺展，固体被完全润湿。