1、基于核磁共振成像技术的接触角测量初探基于核磁共振成像技术的接触角测量创新技术开发和研究 1.接触角 12.接触角的测量 2A)直接法 2B)间接法 31)力测量法 32)长度测量法 43)透过测量法 6特别设计测试环境： 63.接触角测量的影响因素 71) 接触角的滞后性 72) 固体表面粗糙度的影响 73) 表面吸附、表面污染的影响 74) 重力作用影响 75) 温度影响 76) 读数时间的影响 87) 其他 84.接触角测量仪器 85.基于核磁共振成像技术测量接触角的创新技术构想 81.接触角接触角（contact angle）是指在气、液、固三相交点处所作的气-液界面的切线穿过液体与固-
2、液交界线之间的夹角，是润湿程度的量度。润湿过程与体系的界面张力有关。一滴液体落在水平固体表面上，当达到平衡时，形成的接触角与各界面张力之间符合下面的杨氏公式（Young Equation）:实际情况下，接触角有滞后性，有前进接触角和后退接触角的区别，而产生接触角的上下限。接触角在前进接触角和后退接触角之间变化。另外，接触角可能随时间（躺滴法）、温度、液滴体积等因素变化，这些都需要的后期测试中考虑到。衡量接触角的现象：1）接触角大小的直观描述若90，则固体表面是疏水性的，即液体不容易润湿固体，容易在表面上移动。根据接触角的大小具体有以下几种润湿情况：当=0，完全润湿；当90，部分润湿或润湿；当=
3、90，是润湿与否的分界线；当90，不润湿；当=180，完全不润湿。2）毛细现象液体在毛细管中，根据其浸润特性表现为液位上升或下降的现象。/上升高度h=2*表面张力系数/（液体密度*重力加速度g*液面半径R）。上升高度h=2*表面张力系数*cos接触角/（液体密度*重力加速度g*毛细管半径r）2.接触角的测量A)直接法1）照片量角：对液滴照片进行边界提取直接做切线量取接触角。2）光学测角（镜面反射）：单束光照到三相接触线上，当且仅当入射角等于接触角时，在入射方向的观测者才能看到反射光。直接读出接触角。3)光学测角（平行光束）：利用光线在液滴三相界面处的反射和折射的投影计算接触角，此方法在接触角的
4、测量范围上有一定的限制。（适用范围：45）（适用范围：90）B)间接法1)力测量法吊片法Wilhelmy板/棒法(吊片法），是基于液体表明张力对作用板（棒）的受力改变而设计的测试原理。测量公式：润湿天平法通过力的测量，根据Wilhelmy原理相关的计算公式，计算出接触角。此方法需事先知道液体的表面张力。, F-润湿力(N)，P-水与固体接触周长(cm)，水的表面张力（在20C时约为72.6*10-5N/cm）, 为接触角。2)长度测量法静态测量：球冠法（有的称测高法）当液滴足够小时可以忽略重力作用，认为液滴是理祥的球冠形。然后根据此形状进行分析计算，计算公式如下：。大液滴情形轴对称形当液滴较大
5、时不能忽略重力场的影响，此时把液滴截面看做轴对称图形利用Laplace方程求解液滴轮廓方程。可通过数值积分或曲线拟合的方法得到气液表面张力和接触角。当液滴尺寸较小，形状偏离球冠形不大时，Ehrlich用微扰法求解了微分方程，只需测量液滴的赤道半径（最大半径）及底面半径，就可计算接触角，但气液表面张力必须已知，其精度对界面张力的精度并不敏感，此法只能适用于接触角大于90的情况。Staicopolus用数值方法求解微分方程，并用相关数据拟合气液界面张力和接触角的经验式，数据通过制表和制图的方式整理，同样只适用于接触角大于90。利用Staicopolus得到的接触角经验式，Parvatikar通过引
6、入参数和把接触角的计算和Bashforth和Adoms表格联系起来，并制作了新的计算接触角的表格.Maze和 Burne应用非线形回归方法可以计算任意大于零的接触角。上述方法至少都要给定液滴赤道半径，然而此点是很难精确定位的Neumann等在Malcolm工作基础上进行改进，改进后只要给定液滴任意横截面的半径和此截面到液滴最高点的高度，理论上可以计算任意的接触角，但实际只能测定大于50的接触角。动态测量：连续注射法向玻璃片上注射液体，当液滴高度增大到一定高度hm，如果再注入液体时，高度不再变化则停止注射，进行摄像。此时液滴呈轴对称形态，液滴最大高度与铺展系数有一定关系，设平衡时液滴底面圆半径为
7、r，如果圆半径扩大，则液滴高度下降,如图所示, 由于固液界面能增加了，故体系的表面吉布斯能增加了,而液滴高度下降，其位能就下降了,此二能量变化应相等，则有:假设液滴的形状是圆柱体，从而忽略边界效应，故有,代入上式得：又，所以，其中是接触角的补角。测试原理是利用界面能与液滴形状的关系，以及能量守恒关系得到。最大高度法，即不断向液滴中注入液体，液滴高度不断上升，当达到一定值时高度不会再增加而是增加液滴底部直径的方式来增加液滴体积。通过测得液滴的最大上升高度来计算接触角。计算公式如下：，此方法需要知道液体的表面张力，精度较高。3)透过测量法以上方法是测量均与固体表面上的接触角，粉末固体与液体气体的接
8、触角测量由此方法给出。即Washburn动态法测量。 是在一定的装置中，通过液面上升的高度和时间的关系来测量。也有改进方法是通过管内压强、管重变化和时间的关系测量数据。不管是通过哪种发放都是类似于以下公式，根据h2和t呈线性关系，通过测量斜率以及斜率中其他参量最终获得接触角。特别设计测试环境：1）风振法根据液滴在均匀风流中的震动，对其接触角的前进角和后退角进行的取样、测量和计算。2）斜面法通过对斜面倾斜的角度控制，来计算接触角的前进角和后退角，进而计算出其接触角。3）3.接触角测量的影响因素1) 接触角的滞后性纯净的液体在光滑、干净、均匀的理想固体表面，接触角只有一个定值（平衡值），没有接触角
9、的滞后性。实际条件下，接触角是一个范围有上下限，分别是前进接触角和后退接触角。实际测量过程需要考虑到接触角的滞后性，利用相关公式计算。2) 固体表面粗糙度的影响由于固体粗糙度的影响，杨氏方程需做如下修正：，其中，称为文氏角。文氏角与杨氏角关系为：，文氏角与杨氏角都随固体表面粗糙度变化而变化。3) 表面吸附、表面污染的影响由于液体蒸汽会被固体表面吸收，必然会降低表面自由能。所以杨氏方程中应改为，式中为固体表面真空中表面自由能，为液体表面吸附膜的表面压，其值可以根据不同蒸汽压吸附量而求得：4) 重力作用影响重力场改变了液滴的形状，当液滴较大时不可以将其看做球形，而是看做轴对称形状用拉普拉斯相关公式
10、计算。5) 温度影响温度在测试过程中最好恒定，因为温度影响着液体的表面张力，从而影响接触角的最终计算结果。6) 读数时间的影响读数时间关系到液滴是否平衡的问题。7) 其他4.接触角测量仪器接触角可以利用上述各种测量方法进行测量，不同测试方法可以设计不同的测试仪器。其中市面上常见接触角的测量仪器以CCD摄像为基础，根据长度测量方法或曲线拟合等进行测量居多。仪器的关键组成部分：水平或斜面控制、温度控制、CCD摄像和拍照（25帧/秒、高像素）、光学放大模块（10-100倍）、高精度注射泵、配套软件等；测试方法（液滴状态）：悬滴法、停滴法、气泡俘获法、插板法等；测试方法（分析计算方法）：法（量高法）、
11、切线法等；测试参数范围：测试分辨率：0.01测试精度：5.基于核磁共振成像技术测量接触角的创新技术构想通过以上分析，可以看到成像技术在接触角的测量中起到的重要作用，虽然成像对于接触角的测量不是必须的，但是从测量精度和仪器的实用性等角度考虑，目前市面上商业化的仪器主要是从成像角度分析测量接触角。基于核磁共振成像技术，相对于原始的CCD成像，主要优势在于对于不透明界面或封闭系统的接触角的测量。如果从这个角度考虑，基于核磁共振成像技术测量接触角的创新技术构想也只能从接触角的测量原理上进行改进，即以核磁共振成像为前提，改进测试环境和测试液滴状态等进行的仪器创新设计。初步设想基于核磁共振成像技术可以设计的方法有：1、控制斜面角度法控制倾斜角，找出液滴前进角和后退角2、样品台左右震动控制震动频率，同样可以看到一滴液滴左右两面的接触角的不同（前进角和后退角）。3、样品台的上下震动4、样品台绕定轴旋转以上方法需要继续论证，明天主要完成以下内容：液滴轮廓分析处理方法、基于核磁共振成像技术测量接触角的创新技术方案可行性论证除此以外，可以不可以不通过成像，通过分析核磁共振自旋回波就可以测出接触角，这个需要进步一思考。现在有一个小的想法，就是利用核磁共振自旋回波来代替常规的光学测试，同样的原理，利用核磁回波代替光波即可，当然这些都需要进一步论证和思考。
