使用PCA200便攜式接觸角儀測量固體表面能與達因筆對比

 生產(chǎn)過程中對產(chǎn)品的在線檢測能夠快速反應(yīng)產(chǎn)品的質(zhì)量，對于質(zhì)量控制和提高生產(chǎn)效率尤為重要。在很多行業(yè)的產(chǎn)品生產(chǎn)過程中需要在線檢測固體表面自由能，如：半導(dǎo)體工業(yè)、噴涂工藝、鍍膜工業(yè)、印刷行業(yè)等。目前在線檢測固體表面自由能通常采用達因筆測試法，該方法的測量成本較低，但準確性和測量效率很難達到要求。

本文采用便攜式接觸角測量儀在線測量固體的表面自由能，與傳統(tǒng)的達因筆測量方法進行比較，具有諸多優(yōu)勢。

便攜式接觸角測量儀使用德國DataPhysics公司研發(fā)并生產(chǎn)的 PCA200（圖1），以及市售的達因筆（圖2）。

（圖1）PCA200便攜式接觸角測量儀                     （圖2）市售達因筆（來源于網(wǎng)絡(luò)）

PCA 200便攜式接觸角測量儀：基于視頻圖像法測量液-固接觸角，可選擇水和二碘甲烷（多種液體可選）作為測試液體，用Owens, Wendt, Rabel and Kalble (OWRK) 方法計算固體材料表面自由能。測量時將PCA200放置在待測固體樣品表面，只需輕觸一次顯示屏，即可完成自動注射雙液滴、自動計算/顯示接觸角值及表面自由能值，并同時計算/顯示極性和色散分量（圖3）。PCA200還具有閾值的設(shè)置功能，屏幕上可直接顯示測量結(jié)果OK或Not OK。操作及獲得所有結(jié)果僅需幾秒。

（圖3）PCA200便攜式接觸角儀控制及顯示界面

達因筆：每只筆內(nèi)測試液的表面張力不同，需選擇一系列不同表面張力（如：32、34、36）的達因筆在被測固體表面劃線，觀察液膜是否均勻鋪展。若液膜在 1-2 秒內(nèi)保持連續(xù)不收縮，說明材料表面自由能高于該筆的標定值；若液膜收縮，則需使用更低張力值的筆以同樣的方法再次測試，直至找到近似張力臨界值作為最終測量結(jié)果。

本次實驗使用達因筆及PCA200分別測量了硅片、塑料、鋁薄、涂漆表面四種樣品，檢測項目為接觸角、表面自由能。為了確保結(jié)果的可靠性和可比性，所有樣品的測試區(qū)域都以相同的方式處理，并在相同的時間范圍內(nèi)進行測量，圖4顯示了在塑料表面上兩種方法的測量狀態(tài)。

（圖4）  達因筆(左) 與PCA 00（右）測試區(qū)域及耗時

采用兩種方法對四種樣品的測量結(jié)果統(tǒng)計如圖5所示，紅色代表達因筆的測量結(jié)果，藍色為PCA200的測量結(jié)果。

（圖5） 測量結(jié)果對比

由圖5可以看出，達因筆的方法很難給出精準的測量的結(jié)果，對于材質(zhì)完全不同的四種樣品表面，采用達因筆的測量方式無法區(qū)分它們表面自由能的差別，這是由于達因筆測量結(jié)果的讀取依賴于目視評估，因此本質(zhì)上是主觀的人為估算值。而采用PCA200測量方法不僅能夠精準計算四種樣品的表面自由能數(shù)值，而且能夠同時給出不同表面自由能所占的色散力和極性力的分量值，這為區(qū)分樣品表面特性提供了更進一步的數(shù)據(jù)支撐。

此外，與達因筆測量相比，PCA200 擁有更小的測試區(qū)域（圖4），這對于小樣品測量以及怕污染樣品更適合。

而且，達因筆的測量時間為45秒，而PCA200得益于其一鍵式的設(shè)計和全自動擬合計算的優(yōu)勢使其測量時間僅為3秒。

與達因筆測量固體表面自由能方法相比，使用PCA200 便攜式接觸角測量儀具有測量信息多、結(jié)果準確、測量面積小、速度更快，操作更簡單等特點。PCA200非常適合生產(chǎn)過程中的固-液接觸角和固體表面自由能的在線檢測。

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