接触角测定仪的原理

接触角测定仪的原理基于液滴在固体表面的润湿行为，通过光学成像与图像分析技术量化接触角，从而评估材料表面能、润湿性及界面相互作用。以下是其核心原理的详细解析：

‌一、基础理论：Young-Laplace方程与润湿性‌

‌Young方程‌：描述固-液-气三相接触点的力学平衡，公式为：

γSG=γSL+γLGcos⁡θγSG​=γSL​+γLG​cosθ

其中，γSGγSG​、γSLγSL​、γLGγLG​ 分别为固-气、固-液、液-气界面张力，θθ 为接触角。接触角越小，液体润湿性越强‌。

润湿性分类‌：

亲水表面（θ < 90°）：液滴铺展（如水在玻璃）。

疏水表面（θ > 90°）：液滴收缩（如水在荷叶）‌。

‌二、测量系统组成‌

液滴生成模块‌

精密注射泵‌：控制微量液体（0.1-10μL）的精准释放，形成稳定液滴于样品表面，避免振动干扰‌。

光学成像系统‌

高分辨率相机‌：搭配远心镜头，捕捉液滴侧视或俯视图像，分辨率达微米级，确保轮廓清晰‌。

背光系统‌：LED冷光源+漫射板，提供均匀照明，减少液滴边缘光晕干扰‌。

‌样品台与温控单元‌

三维可调平台‌：实现样品水平校准与多位置测量。

温湿度控制‌：可选配Peltier模块或密闭腔体，模拟高温（200℃）或低温（-40℃）环境‌。

‌三、图像处理与算法‌

液滴轮廓提取‌

边缘检测算法‌：Sobel、Canny算子识别液滴边界，拟合液滴基底线与气液界面切线‌。

接触角计算模型‌

切线法‌：手动或自动标定液滴轮廓切线，直接测量θ角（适用于θ < 120°）‌。

‌Young-Laplace拟合法‌：通过液滴轮廓的数学拟合反推接触角，精度更高（尤其θ > 90°或非轴对称液滴）‌。

圆拟合法‌：将液滴视为球冠，通过圆弧拟合计算θ，适用于小接触角快速测量‌。