首先,我們需要理解“親水性”的定義。通常,我們通過接觸角來劃分:
親水: 接觸角 < 90°
超親水: 接觸角 < 5°-10°,液滴幾乎瞬間鋪展成一層水膜。
疏水: 接觸角 > 90°
超疏水: 接觸角 > 150°
對于普通親水表面(例如接觸角在30°-80°),標(biāo)準(zhǔn)的座滴法 可以很好地測量。但當(dāng)材料非常親水,特別是接近或達(dá)到“超親水”狀態(tài)時,問題就出現(xiàn)了:
1.液滴鋪展過快: 水滴接觸到表面后會迅速鋪開,接觸角在極短時間內(nèi)(毫秒到秒級)發(fā)生劇烈變化,傳統(tǒng)的靜態(tài)接觸角測量方法難以捕捉到準(zhǔn)確的初始值。
2.沒有穩(wěn)定的平衡態(tài): 超親水表面上的水滴不存在一個穩(wěn)定的形態(tài),它會持續(xù)鋪展甚至被材料吸收,直到全部變成水膜。
因此,測試親水性材料,尤其是超親水材料,關(guān)鍵在于 “捕捉動態(tài)過程” 和 “定義測量時間點(diǎn)”。
親水性材料在測量接觸角過程中,接觸角測試的擬合方法,通常采用的是通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出一個數(shù)學(xué)模型,常見的方法包括線性擬合、非線性擬合和多項(xiàng)式擬合。這些方法的選擇取決于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)以及研究者的偏好。
一種常見的擬合方法是使用 Young-Laplace 方程或 Young 方程,并將其與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,通過調(diào)整參數(shù)來擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。Young-Laplace 方程描述了液滴與固體表面之間的平衡關(guān)系,可以用來計算接觸角。
另一種常見的擬合方法是使用現(xiàn)有的模型,如 Cassie-Baxter 模型或 Wenzel 模型,這些模型描述了不同表面微觀結(jié)構(gòu)對接觸角的影響。通過調(diào)整模型中的參數(shù),可以使模型預(yù)測的接觸角與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相符合。
在擬合過程中,需要注意選擇合適的擬合函數(shù)和評價擬合結(jié)果的指標(biāo),如擬合誤差、相關(guān)系數(shù)等,以確保得到的擬合模型具有較好的準(zhǔn)確性和可靠性。
親水性接觸角測試的擬合方法需要結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)和研究需求,選擇合適的數(shù)學(xué)模型,并通過適當(dāng)?shù)膮?shù)調(diào)整來實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合。
總而言之,測試親水性材料的關(guān)鍵在于從靜態(tài)思維轉(zhuǎn)向動態(tài)思維。不能簡單地報告一個“靜態(tài)接觸角”,而應(yīng)描述其與水滴相互作用的動態(tài)過程,這樣才能更科學(xué)、更全面地表征其親水性能。
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