摘要
接觸角測量儀或水滴角測試儀的固體表面自由能（Surface Free Energy, SFE）是表征材料潤濕性、粘附性及界面相互作用的關鍵參數(shù)，其精確評估對材料科學、工業(yè)涂層開發(fā)及生物醫(yī)學應用至關重要。本文系統(tǒng)梳理 14種接觸角測量儀驅動的SFE分析模型，深入探討測試方法分類、誤差來源、優(yōu)化策略及工業(yè)應用案例，并結合儀器技術創(chuàng)新提出多維度精度提升方案。

一、接觸角測量方法分類與精度對比

接觸角測量儀/水滴角測量儀的測試方法對接觸角（θ）值的準確性具有決定性影響，主要分為以下兩類：

1. 幾何模型量角器法

• 原理：通過液滴輪廓的幾何特征（如基線切線、曲率半徑）直接計算θ值。

• 典型方法：

• 圓/橢圓擬合法：假設液滴輪廓為理想圓或橢圓，適用于小接觸角（θ < 90°）場景；

• 多項式切線法：采用二次多項式或高次多項式擬合液滴邊緣，提升非對稱輪廓適應性；

• Spline曲線法：通過樣條插值平滑輪廓，減少噪聲干擾；

• TrueDrop®非軸對稱動態(tài)法：基于動態(tài)液滴輪廓分析，突破軸對稱假設限制，適用于粗糙或異質表面。

• 優(yōu)點：計算速度快，硬件成本低。

• 缺點：忽略液滴重力與表面張力平衡，測值誤差大，重復性差，數(shù)據只能作為估算值用，科學性不強，對低表面張力液體（如有機溶劑）誤差顯著（Δθ可達±5°）。

2. Young-Laplace方程擬合法

• 原理：基于Young-Laplace方程描述液滴輪廓的力學平衡，通過數(shù)值迭代求解θ值。

• 典型方法：

• 經驗驅動法（帶Bond number假設）：引入無量綱Bond number（$Bo=\frac{\mathrm{\Delta }\rho g{V}^{2\mathrm{/}3}}{{\gamma }_L}$）簡化計算，但受限于軸對稱輪廓假設（如德國商用儀器），液滴體積范圍窄（通常1–5 μL），高粘度液體誤差>10%；

• ADSA®-RealDrop®技術：采用有量綱Young-Laplace方程直接擬合，無需軸對稱假設，支持非對稱液滴（如接觸角滯后分析），液滴體積擴展至0.1–10 μL，精度達±0.1°。

• 優(yōu)點：物理原理嚴謹，精度高；

• 缺點：計算復雜度高，需高性能硬件支持。經驗驅動法bond number假設的測試靈敏度差，精度不高，誤差（Δθ可達±3°）

二、接觸角測量儀驅動的SFE分析模型及優(yōu)缺點

1. 經典單分量模型

（1）Zisman臨界表面張力法

• 原理：外推多種液體的 $\cos ?\theta$ 與液體表面張力 ${\gamma }_L$ 的關系曲線至 $\cos ?\theta =1$，得到臨界表面張力 ${\gamma }_C$。

• 優(yōu)點：操作簡易，適合快速篩查低能非極性材料（如PTFE）。

• 缺點：忽略極性作用，高能表面誤差>20%；無法區(qū)分表面能組分[1]。

（2）Berthelot幾何平均法

• 公式：

  $${\gamma }_{SL}={\gamma }_S+{\gamma }_L?2\sqrt{{\gamma }_S{\gamma }_L}$$

• 優(yōu)點：公式簡潔，適用于烴類材料的粗略估算。

• 缺點：假設固液相互作用僅為幾何平均，對極性材料誤差>30%[2]。

2. 兩分量模型

（3）Fowkes色散分量模型

• 公式：

  $${\gamma }_{SL}={\gamma }_S+{\gamma }_L?2\sqrt{{\gamma }_S^d{\gamma }_L^d}$$

• 優(yōu)點：引入色散分量概念，為非極性材料（如聚乙烯）提供量化工具。

• 缺點：忽略極性貢獻，金屬氧化物等極性表面誤差顯著[3]。

（4）OWRK法（Owens-Wendt-Kaelble）

• 公式：

  $${\gamma }_{SL}={\gamma }_S+{\gamma }_L?2(\sqrt{{\gamma }_S^d{\gamma }_L^d}+\sqrt{{\gamma }_S^p{\gamma }_L^p})$$

• 優(yōu)點：分離色散（${\gamma }^d$）與極性（${\gamma }^p$）分量，廣泛用于聚合物與涂層。

• 缺點：高能表面（如金屬）的極性分量被低估，需嚴格液體選擇[4]。

（5）Wu調和平均法

• 公式：

  $${\gamma }_{SL}={\gamma }_S+{\gamma }_L?\frac{4{\gamma }_S^d{\gamma }_L^d}{{\gamma }_S^d+{\gamma }_L^d}?\frac{4{\gamma }_S^p{\gamma }_L^p}{{\gamma }_S^p+{\gamma }_L^p}$$

• 優(yōu)點：調和平均公式增強極性相互作用計算，適合高極性有機顏料。

• 缺點：對接觸角測量誤差敏感，θ偏差1°可導致SFE誤差>5%[5]。

（6）Girifalco-Good方程

• 公式：

  $${\gamma }_{SL}={\gamma }_S+{\gamma }_L?2\mathrm{\Phi }\sqrt{{\gamma }_S{\gamma }_L}$$

• 參數(shù)：$\mathrm{\Phi }$（極性匹配因子，0.5 < $\mathrm{\Phi }$ < 1.2）。

• 優(yōu)點：通過極性因子修正幾何平均，部分解釋極性差異。

• 缺點：$\mathrm{\Phi }$需實驗標定，普適性差[6]。

3. 三分量及多組分模型

（7）Acid-Base模型（van Oss法）

• 公式：

  $${\gamma }_{SL}={\gamma }_S+{\gamma }_L?2(\sqrt{{\gamma }_S^{LW}{\gamma }_L^{LW}}+\sqrt{{\gamma }_S^{+}{\gamma }_L^{?}}+\sqrt{{\gamma }_S^{?}{\gamma }_L^{+}})$$

• 優(yōu)點：區(qū)分路易斯酸（${\gamma }^{+}$）與堿（${\gamma }^{?}$）作用，適用于生物材料與藥物載體。

• 缺點：需三種液體聯(lián)立求解，操作復雜；可能產生負值參數(shù)，物理解釋存疑[7]。

（8）Schultz雙液法

• 原理：通過兩種極性差異液體（如水、非極性液體）聯(lián)立求解極性/色散分量。

• 優(yōu)點：減少液體數(shù)量需求（僅需兩種），適合快速檢測。

• 缺點：依賴高精度表面張力數(shù)據，實際應用受限[8]。

（9）Chibowski熱力學法

• 公式：

  $${\gamma }_S=\frac{{\gamma }_L(1+\cos ?\theta )}{2}+\sqrt{{\gamma }_L^d{\gamma }_S^d}$$

• 優(yōu)點：單液體即可估算混合極性表面，簡化實驗流程。

• 缺點：需預設色散分量占比，對強極性材料誤差>15%[9]。

4. 狀態(tài)方程與動態(tài)潤濕模型

（10）Neumann狀態(tài)方程（EQS）

• 公式：

  $$\cos ?\theta =?1+2\sqrt{\frac{{\gamma }_S}{{\gamma }_L}}?e^{?\beta ({\gamma }_L?{\gamma }_S{)}^2}$$

• 參數(shù)：$\beta \approx 0.0001247\text{?}{\text{m}}^2\mathrm{/}{\text{mJ}}^2$。

• 優(yōu)點：單液體快速估算，避免多液體選擇難題。

• 缺點：經驗參數(shù)$\beta$的普適性不足，高能表面（${\gamma }_S>50\text{?}{\text{mJ/m}}^2$）誤差>20%[10]。

（11）Kwok-Neumann修正方程

• 改進：引入溫度依賴性優(yōu)化$\beta$，提升金屬與陶瓷表面計算精度。

• 優(yōu)點：金屬表面誤差降低至±10%。

• 缺點：需多液體校準，操作復雜度增加[11]。

（12）動態(tài)潤濕法（Wenzel方程修正）

• 公式：

  $$\cos ?{\theta }_{\text{表觀}}=r\cos ?{\theta }_{\text{本征}}$$

• 參數(shù)：$r$（粗糙度因子）。

• 優(yōu)點：結合粗糙度因子，反映實際表面潤濕行為。

• 缺點：需同步表征表面形貌（如AFM），成本與時間消耗高[12]。

5. 新興跨尺度模型

（13）分子動力學模擬（MD）結合接觸角法

• 步驟：模擬液滴鋪展行為，反推${\gamma }_S$。

• 優(yōu)點：規(guī)避實驗干擾，納米級超疏水材料預測誤差<5%。

• 缺點：計算資源消耗大，力場參數(shù)敏感性高[13]。

（14）電化學修正模型（CQC模型）

• 原理：引入表面電荷修正SFE計算。

• 優(yōu)點：整合表面電荷效應，適合離子液體修飾材料。

• 缺點：需額外電化學測試設備，工業(yè)應用門檻高[14]。

三、接觸角測量儀測試精度優(yōu)化

1. 探針液體純度驗證

• 水純度標準：表面張力 ${\gamma }_L\ge 72.8\text{?}\text{mN/m}$（25℃），若實測值<70 mN/m需重新純化。

• 有機溶劑篩選：非極性液體、甲酰胺等需通過氣相色譜驗證純度（≥99%）。

2. 固體表面污染物檢測

• 判據：純水理論表面張力為72 mN/m，若滴至固體表面后實測值≤69 mN/m（誤差>3 mN/m），判定存在有機污染物。

• 檢測方法：

1. 使用接觸角測量儀測試液滴在固體表面的表面張力 ${\gamma }_L^{\mathrm{\prime }}$；

2. 對比理論值 ${\gamma }_L$ 與實測值 ${\gamma }_L^{\mathrm{\prime }}$，若偏差>2 mN/m，判定污染。

3. 液滴輪廓擬合技術突破

• KINO RealDrop®/TrueDrop®接觸角測量儀：

• ADSA®-RealDrop®技術：基于Young-Laplace方程直接擬合，消除Bond number假設，液滴體積范圍擴展至0.1–10 μL，分辨率達±0.1°；

• 表面張力同步監(jiān)測：集成高精度壓敏傳感器，采用阿莎®算法的Wilhelmy板法，實時檢測液滴表面張力變化，直接識別污染物影響[15]。

四、工業(yè)應用與案例

1. 涂層行業(yè)

• 場景：汽車疏水涂層表面能優(yōu)化。

• 方案：采用OWRK法結合ADSA®-RealDrop®技術，誤差控制在±3%。

2. 生物醫(yī)學

• 場景：植入材料表面污染對細胞粘附的影響檢測。

• 方案：Wilhelmy板法同步監(jiān)測表面張力變化，污染識別靈敏度達1 ng/cm2[16]。

五、技術挑戰(zhàn)與未來方向

1. 現(xiàn)存挑戰(zhàn)

• 模型參數(shù)普適性：如$\beta$（Neumann方程）、$\mathrm{\Phi }$（Girifalco-Good方程）需分材料校準。

• 動態(tài)界面表征：動態(tài)潤濕行為與SFE的理論關聯(lián)尚未完善。

2. 突破方向

• 多技術聯(lián)用：接觸角測量儀與AFM、XPS聯(lián)用，實現(xiàn)表面化學-潤濕性同步分析；

• AI驅動參數(shù)優(yōu)化：基于歷史數(shù)據訓練模型，預測$\beta$、$\mathrm{\Phi }$等參數(shù)；

• 標準化驗證流程：建立探針液體數(shù)據庫與表面污染閾值標準（參考ISO 19403-7）。

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• 參考文獻

• Zisman, W. A. Adv. Chem. Ser. 43, 1 (1964).

• Berthelot, D. Comptes Rendus 126, 954 (1898).

• Fowkes, F. M. J. Phys. Chem. 67, 2538 (1963).

• Owens, D. K., & Wendt, R. C. J. Appl. Polym. Sci. 13, 1741 (1969).

• Wu, S. J. Polym. Sci. C 34, 19 (1971).

• Girifalco, L. A., & Good, R. J. J. Phys. Chem. 64, 561 (1960).

• van Oss, C. J. Interfacial Forces in Aqueous Media, CRC Press (2006).

• Schultz, J., et al. J. Colloid Interf. Sci. 59, 277 (1977).

• Chibowski, E. Adv. Colloid Interf. Sci. 103, 227 (2003).

• Neumann, A. W. Adv. Colloid Interf. Sci. 4, 105 (1974).

• Kwok, D. Y., & Neumann, A. W. Langmuir 12, 5551 (1996).

• Wenzel, R. N. Ind. Eng. Chem. 28, 988 (1936).

• Wang, J., et al. J. Phys. Chem. C 122, 25521 (2018).

• Chang, Q., et al. Langmuir 31, 10751 (2015).

• KINO Scientific Instrument Inc. RealDrop® Technical Manual (2023).

• Liu, G., et al. ACS Appl. Mater. Interfaces 12, 5678 (2020).

• 聲明：RealDrop®、TrueDrop®及ADSA®為上海梭倫信息科技有限公司注冊商標。

• 注：本文模型與方法均基于文獻，通過接觸角測量儀技術創(chuàng)新與多模型協(xié)同驗證，可顯著提升固體表面自由能分析精度，為材料研發(fā)與工業(yè)質量控制提供科學支撐。