恒美智造表面接触角测量仪-全自动倾斜角测量仪知识图谱与原理

一、一滴水落在表面上，角度说出了什么

一滴水落在干净的玻璃上会摊开，落在打了蜡的车漆上会团成一个球。这两种状态用同一个数字就能区分：在气、液、固三相交点处作气液界面的切线，这条切线与固液交界线之间的夹角，就是接触角。角度小，说明液体愿意铺开，表面亲水；角度大，说明液体不愿意铺开，表面疏水。一个看起来只是形状差异的现象，被压成一个 0 到 180 度的数，材料、涂层、清洗工艺的好坏就有了可比的判据。

这个数之所以被工业界当成硬指标，是因为它直接连着产品的使用表现。手机盖板镀膜后要防指纹，靠的是疏水疏油，接触角大、滚动角小，手指的油渍才挂不住；印刷与涂布要附着牢，靠的是润湿，接触角小，油墨才铺得开；医用材料的表面对蛋白吸附敏感，靠的也是这个数。同一个角度，在不同行业里的方向要求正好相反，所以它不是越大越好，也不是越小越好，是要落在设计给的那一段里。

恒美智造这台机器做的事，就是把这个角度稳定地测出来，并且让它可复现。原理不复杂：一束光穿过液滴侧面，镜头把轮廓成到相机上，软件找出液滴与固体的接触点、拟合出液滴轮廓、算出切线与基线的夹角。四步里，成像与拟合是技术的部分，滴液与取点是人的部分。前者决定测得准不准，后者决定两次测是不是同一个数。很多人以为买一台接触角测量仪就是买一套光学系统，其实买的是三件事：滴液稳不稳、轮廓清不清、方法对不对。三样里任何一样弱，另外两样都白费。恒美智造把这三样分开做：滴液单元从手动旋钮一路做到双通道注射泵，成像用远心镜头配冷光源，拟合方法装到六种。用户按自己的活计选到合适的那一档，不必为用不上的功能付钱。

表1 四个角度各测什么

表注：四个角度不是一回事。静态角看润湿，滞后看均匀性，滚动角看黏附，动态角看过程。报告里写清测的是哪一个。

二、光学成像与曲线拟合：角度是怎么算出来的

头一步是成像。液滴在背光下形成一个暗色的轮廓，镜头把它投到相机感光面上。这一步的难点在于轮廓的边缘要清楚、不能变形：光源不是点光源，而是密集的 LED 阵列，为的是让背景亮度均匀，边缘不发灰；镜头用远心结构，为的是让不同深度的液滴在同一个放大倍率下成像，边缘不产生枕形或桶形畸变。这两处不做好，后面拟合得再精细，起点就是错的。

第二步是定基线。基线是固体表面在图像里的那条线，它决定了角度从哪量起。基线取高了，角度偏大；取低了，角度偏小；取歪了，左右两侧的角度会差出好几度。定基线的常见做法有两种：一是让样品边缘在图像里形成一条清晰的明暗分界，软件自动识别；二是用标准件先标定像素与实际尺寸的比例，再按样品台高度换算。两种都需要样品摆平，所以载物台的水平调节不是可有可无的步骤。

第三步是拟合轮廓。液滴的形状受重力与表面张力共同作用，体积小时接近球冠，体积大时被压扁成不对称的形状。软件从轮廓上取一系列点，用数学模型去贴合，贴出来的曲线在接触点处的切线与基线的夹角，就是接触角。恒美智造这台机器装了六种拟合方法，从简单的宽高法、圆拟合法，到能处理非轴对称液滴的杨氏-拉普拉斯法与 ADSA-NA 法，用户可以按液滴形态选。

第四步是读数。角度算出来之后，还要决定取哪一个数：单侧还是双侧取均值、落滴后第几秒读、同一批测几个点。这三件事不写在仪器里，写在作业规程里。恒美智造在随机资料里给了一页规程模板，把液滴体积、滴液高度、读数时刻、取点位置四项留空，用户填自己的数。四项定下来，不同的人测同一个样品，结果才落在同一个区间里。

表2 六种拟合方法各自适合什么液滴

表注：同一张图像用不同方法拟合，结果能差一两度。报告里要写清用的是哪一种，别只写角度值。

三、六种拟合方法，为什么同一张图能差一两度

不同方法的假设不一样。宽高法假设液滴是一个球冠，只用量到的宽度与高度就能算出角度，快，但对被重力压扁的液滴就偏；圆拟合法把轮廓当成一段圆弧去贴，适合小液滴，液滴一大就不准；椭圆与斜椭圆法允许轮廓是椭圆，能处理被压扁的情形；多项式法用高阶曲线去贴，适合轮廓不规则的样品，但阶数高了会把噪声也贴进去。杨氏-拉普拉斯法从物理方程出发，把重力、表面张力、液滴体积一起算进去，能处理非轴对称的液滴，是这类仪器里比较严谨的一种。ADSA-NA 法专门对付针头还留在液滴里的情形：针管插在液滴上，轮廓在针头处被截断，普通方法找不到完整的顶点，需要把针径与液体密度一起代入方程反解。这两种方法计算量大，但对超疏水、大体积、动态过程这些难测的情形，是必要的。

同一张图用不同方法拟，结果差一两度是常见的。这个差异不是软件错了，是假设不同。所以报告里必须写清用的是哪一种方法，否则两个实验室的数据没法比。恒美智造的做法是在软件里把当前方法显示在读数旁边，导出的报告也带上方法名；用户交接数据时，方法名跟着走，就不必再问一句“你们用的哪种”。选方法的原则是按液滴形态来，不是按精度高低来。小液滴、接近球冠，圆拟合法够用而且快；被压扁的大液滴，用椭圆法或者杨氏-拉普拉斯法；针头留在液滴里，用 ADSA-NA 法；表面粗糙、轮廓不规则，先用多项式法看趋势，再用物理方法复核。恒美智造在培训时会拿同一张图把六种方法各跑一遍，让用户看清差异再决定，而不是默认一个方法一直用下去。

表3 六个型号的主要差异

表注：六个型号的分界在三个动作上：滴液谁来做、升降谁来调、样品台要不要倾斜。三个动作决定价格，也决定谁来用。

四、滴液、升降、倾斜：三个动作决定型号

头一个动作是滴液。HM-JC1 用高精度手动旋钮，滴液精度 0.1 微升，注射器容量 1 毫升；HM-JC2 换成蠕动泵，可以自动也可以手动，配 20 毫升储液瓶，管路能自清洗；HM-JC3 起用注射泵，滴液精度做到 ±0.01 微升，且注液 Z 轴能自动升降，定位精度 ±0.05 毫米。从手动到泵，差的不只是省手，是滴液量能不能复现——手动旋钮靠手感，泵靠软件定量。

第二个动作是升降。样品厚薄不一，针头到表面的距离要跟着变。手动机型靠旋钮一点点调，调完还要重新对焦；HM-JC3 起，注液 Z 轴自动升降，软件给定高度，针头按设定落到位，薄片与厚板之间切换不必重新找位置。这一条在测多种基材的用户那里很实用：一天里换五六种样品，每次都要调高度和对焦，手动机型的时间都花在这上面。

第三个动作是倾斜。测滚动角必须把样品台倾斜，看液滴在哪一个角度开始滑落；测前进角与后退角，也要靠倾斜或者增减液滴体积来实现。HM-JC4 配整体倾斜平台，倾斜范围正负 90 度，倾斜精度 ±0.01 度，倾斜速率可调；样品台面 120×150 毫米，可放 6 寸样品。没有倾斜平台的机型，测静态角没问题，测滚动角就只能靠外接工装，精度与重复性都差一截。

三个动作组合起来，六个型号的位置就清楚了：全手动是 HM-JC1，自动滴液是 HM-JC2，自动滴液加自动升降是 HM-JC3，再加倾斜平台是 HM-JC4，再加双通道与连续换点是 HM-JC5，把整机缩到 1.1 千克、能拿在手上的是 HM-JCS。用户不必记型号，只回答三个问题：滴液要不要自动、升降要不要自动、样品台要不要倾斜。三问答完，型号自然就落在一个上。

表4 光学系统四样硬件的用处

表注：四样里光源与镜头决定轮廓清不清，相机决定动态抓不抓得住，载物台决定样品摆不摆得平。载物台能加装，镜头一旦定下就换不了，选型时要在镜头上留余量。

五、三份标准与一套验收动作

这个行当常引的标准里，JJF 2099-2024 是光学接触角测量仪的校准规范，讲的是用什么校准件、在哪些点校、允许多大偏差；GB/T 30693-2014 是塑料薄膜与水接触角的测量，讲的是薄膜这一类样品的取样、滴液与读数；GB/T 42694-2023 是纺织品表面抗润湿性能的检测，把接触角与滚动角放在一起评。三份标准各管一段，合起来看才知道自己该按哪一条做。

还有几份常用的：GB/T 30447-2013 讲纳米薄膜的接触角测量方法；GB/T 24368-2009 讲玻璃表面疏水污染物的检测；SY/T 5153-2007 讲油藏岩石润湿性的测定；ASTM D724 与 ASTM D5946 是纸与塑料薄膜的接触角法；ISO 15989 讲电晕处理薄膜的水接触角。这些标准的共同点是都把取样与读数时刻写死了，因为角度会随时间变，不写死就没法比。

验收做三件事。头一件是标准片核查：用已知角度的校准片测三点，看读数与标称值的偏差。第二件是重复性：同一位置连测七次，算极差。第三件是滴液量：用称重法核对十滴的体积，看与设定值差多少。三件事都有数，签字才算完成交付。只测一次就签字，等数据飘了再回头找，说不清是仪器的事还是样品的事。随机文件要看四样：装箱单、说明书、合格证、标准片的校准证书。四样齐了，这台仪器才算有身份。恒美智造另附一页测量规程模板，把液体、体积、滴液高度、读数时刻、取点位置五项留空。这一页比说明书正文好找，贴在仪器旁边，新人上手不容易漏项。

六、把角度测成可比的数据，要定五件事

头一件是液体。同一批数据必须用同一种液体，通常是纯水，特殊场合用二碘甲烷、乙二醇来算表面能的分量。液体换了，角度就不可比，哪怕样品一模一样。第二件是液滴体积。体积大，重力把液滴压扁，角度会变；常用 2 至 5 微升，定了就不改。第三件是滴液高度。针头离表面高，液滴落下时带冲击，会铺得更开；离得低，落滴平稳，角度更接近静态值。

第四件是读数时刻。挥发性液体落滴之后角度会一路变小，等三十秒读与等三秒读，差好几度；吸水性表面也一样，液滴被吸进去，角度随时间掉。所以要按秒计时，说清是落滴后第几秒。第五件是取点位置。同一样品表面不均，左中右三点可能差十几度，取单点没有代表性，通常取三点均值并记下极差，极差大说明表面本身不均，这个信息比均值更有用。

五件事定完，还要落到一张纸上。规程要写清五项的具体数值，不只是写“按标准”，因为标准给的是范围，用户要定的是自己那一档。恒美智造在交付培训时陪着用户填这张纸：先按自家样品试跑，看哪一组参数重复性好，再把它写进规程。填的过程常常能发现原先含糊的地方，比如一直没人说清读数到底等几秒。这张纸还有一个用处：交接。台位上换人，把规程递过去，新人照着做，数据就能接上；没有规程，新人按自己的习惯测，同一个样品测出来的角度能差十度，前后数据就没法放在一张图里比。数据不可比，往往是规程没落纸。恒美智造把这一页列进交付清单，与标准片、作业卡放在一起，三样齐了才算交付。

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www.hmdzkj.cn

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