疏水性检测_【CMA/CNAS认证】_中科光析科学技术研究所

疏水性检测：原理、方法与标准

疏水性是指材料表面对水分子的排斥能力，是材料表面物理化学性质的重要表征之一，在涂层、纺织、微电子、生物材料、医疗器械、自清洁材料、防水防污涂料等领域具有广泛的应用价值。评估材料的疏水性对于优化产品性能、预测使用寿命、确保功能性至关重要。疏水性检测的核心原理是通过测量水（或其他液体）在材料表面的接触角来量化其润湿性。接触角（θ）越大，表明材料表面越疏水（当θ > 90°时）；反之，接触角越小，表面越亲水。一个典型的疏水表面（如荷叶）往往具有较大的接触角（>90°）和较小的滚动角。准确的疏水性检测依赖于规范的检测项目、精密的仪器设备、标准化的检测方法以及公认的检测标准。

主要检测项目

疏水性检测通常包含以下核心项目：

1. 静态接触角： 这是最基础且最常用的指标。指在固-液-气三相平衡点处，液滴轮廓的切线与固体表面之间的夹角。通常测量去离子水在材料表面的静态接触角，直接反映其静态疏水性。

2. 动态接触角： * 前进角： 液滴在固体表面上体积增加（或固体表面倾斜使液滴前沿前进）时测得的接触角。反映液体在干表面上的铺展能力。 * 后退角： 液滴在固体表面上体积减少（或固体表面倾斜使液滴后沿后退）时测得的接触角。反映液体从湿表面上回缩的能力。 * 接触角滞后： 前进角与后退角之差。滞后值的大小与材料表面的化学不均匀性或物理粗糙度有关。

3. 滚动角： 指将材料表面倾斜到一定角度时，液滴刚好能够从表面滚落的最小角度。滚动角越小，表明材料的疏水性越强，自清洁性能通常越好。

4. 表面能估算： 通过测量多种已知表面张力液体在材料表面的接触角，运用特定的热力学模型（如Owens-Wendt, Van Oss-Chaudhury-Good等）计算材料的表面自由能及其极性分量和色散分量。

5. 时间依赖性： 观测接触角或液滴形态随时间的变化，评估材料疏水性的稳定性或时效性（如疏水涂层的耐久性）。

常用检测仪器

进行疏水性检测的核心仪器是接触角测量仪（也称为润湿角测量仪或水滴角测量仪），其主要构成包括：

1. 样品台： 用于放置和固定待测样品。通常具有水平调节功能，并可能配备可精确控制倾斜角度的电动倾斜台（用于测量滚动角）。

2. 进样系统： 精密注射泵（或微量注射器）和进样针，用于产生和精确控制液滴体积（通常在1-10微升范围）。

3. 光源与成像系统： * 光源： 高亮度、均一的背景光源（如LED冷光源）。 * 光学系统： 高分辨率变焦镜头。 * 图像采集： 高速CCD或CMOS相机，用于捕捉液滴在固体表面的清晰轮廓图像。

4. 环境腔（可选）： 一些高级仪器配备可控制温度、湿度和气氛（如通入惰性气体）的腔室，用于研究环境条件对疏水性的影响。

5. 软件系统： 专用的图像分析软件，用于自动或半自动拟合液滴轮廓（常用Young-Laplace方程拟合或切线法），精确计算接触角（静态、前进、后退）、滚动角、液滴体积/面积等参数，并可进行表面能计算。

6. 高速相机（用于动态接触角测量）： 在测量动态接触角（尤其是前进/后退角）或滚动角时，需要高速相机捕捉液滴形态的快速变化。

主要检测方法

根据国际和国内标准，常见的疏水性检测方法主要有：

1. 座滴法： 这是最常用、最标准的静态接触角测量方法。将一小滴测试液体（通常为去离子水）通过注射器针头小心地滴落在水平放置的洁净、干燥的样品表面，利用仪器软件分析液滴的静态轮廓图像，计算出接触角。

2. 悬滴法： 主要用于测量液体的表面张力或界面张力，但也适用于测量固体粉末等难以形成平整表面的材料的接触角（需压片处理）。在针尖处形成悬垂的液滴，分析其轮廓。

3. 倾斜板法： 这是测量滚动角的标准方法。将样品固定在可精确旋转的平台上，缓慢增加倾斜角度（通常速度很慢，如0.1°/s或1°/s），同时用相机记录。当液滴开始滚动时记录的角度即为滚动角。有时也用于测量前进角和后退角（在液滴即将滚动时测量）。

4. 增减液滴体积法： * 增液法测前进角： 在液滴稳定后，通过注射器缓慢增加液滴体积，此时液滴前沿向外扩展，测量此过程中的接触角（稳定值或最大值通常定义为前进角）。 * 减液法测后退角： 在液滴稳定后，通过注射器缓慢抽回液体减少液滴体积，此时液滴后沿向中心收缩，测量此过程中的接触角（稳定值或最小值通常定义为后退角）。

5. Wilhelmy 吊片法： 主要用于测量纤维、薄膜或片状材料的接触角和表面能。将样品垂直浸入或提出液体，通过测量表面张力对样品的拉力（利用精密天平）来计算接触角（通常得到的是动态前进/后退角）。

重要检测标准

为确保疏水性检测结果的准确性、可靠性和可比性，国内外制定了一系列标准方法：

国际标准： * ISO 19403 (所有部分)： 涂料和清漆 - 润湿性。这是当前最全面、最权威的专门针对润湿性和接触角测量的国际标准系列。 * ISO 19403-1:2017： 术语和定义。 * ISO 19403-2:2017： 固体表面能测定。 * ISO 19403-3:2017： 使用座滴法测定固体表面的接触角。 * ISO 19403-4:2017： 固体表面动态接触角的测定（增减液滴体积法）。 * ISO 19403-5:2017： 使用Wilhelmy 吊片法测定接触角。 * ISO 19403-6:2017： 使用倾斜板法测定滚动角。 * ISO 19403-7:2017： 接触角测量中的测量误差。 * ASTM D7490-13(2019)： 通过接触角测量表征固体表面的标准试验方法（美国材料与试验协会）。提供了接触角测量的通用指导。 * ASTM D7334-08(2020)： 使用前进接触角测量涂层、基材和颜料表面润湿性的标准实施规程。

国内标准 (中国)： * GB/T 24368-2009： 玻璃表面疏水污染物检测: 接触角测量法。虽然针对玻璃，但方法原理通用。 * GB/T 30693-2014： 塑料薄膜及薄片水接触角测量方法。 * GB/T 30447-2013： 纳米薄膜接触角测量方法。 * JC/T 2177-2013： 建筑装饰用石材防护剂。其中规定了防护效果评估方法，包括接触角测量（附录A）。 * 许多行业标准（如纺织、涂层、印刷、包装材料等）也会引用接触角作为疏水性/润湿性的评估指标，但具体测试方法常参照ISO或ASTM标准。