使用PCA200便攜式接觸角儀測(cè)量固體表面能與達(dá)因筆對(duì)比

 生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)產(chǎn)品的在線(xiàn)檢測(cè)能夠快速反應(yīng)產(chǎn)品的質(zhì)量，對(duì)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(guò)程中需要在線(xiàn)檢測(cè)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(xiàn)檢測(cè)固體表面自由能通常采用達(dá)因筆測(cè)試法，該方法的測(cè)量成本較低，但準(zhǔn)確性和測(cè)量效率很難達(dá)到要求。

本文采用便攜式接觸角測(cè)量?jī)x在線(xiàn)測(cè)量固體的表面自由能，與傳統(tǒng)的達(dá)因筆測(cè)量方法進(jìn)行比較，具有諸多優(yōu)勢(shì)。

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

（圖1）PCA200便攜式接觸角測(cè)量?jī)x                     （圖2）市售達(dá)因筆（來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）

PCA 200便攜式接觸角測(cè)量?jī)x：基于視頻圖像法測(cè)量液-固接觸角，可選擇水和二碘甲烷（多種液體可選）作為測(cè)試液體，用Owens, Wendt, Rabel and Kalble (OWRK) 方法計(jì)算固體材料表面自由能。測(cè)量時(shí)將PCA200放置在待測(cè)固體樣品表面，只需輕觸一次顯示屏，即可完成自動(dòng)注射雙液滴、自動(dòng)計(jì)算/顯示接觸角值及表面自由能值，并同時(shí)計(jì)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(cè)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(dá)因筆：每只筆內(nèi)測(cè)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(dá)因筆在被測(cè)固體表面劃線(xiàn)，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(shuō)明材料表面自由能高于該筆的標(biāo)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(cè)試，直至找到近似張力臨界值作為最終測(cè)量結(jié)果。

本次實(shí)驗(yàn)使用達(dá)因筆及PCA200分別測(cè)量了硅片、塑料、鋁薄、涂漆表面四種樣品，檢測(cè)項(xiàng)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(cè)試區(qū)域都以相同的方式處理，并在相同的時(shí)間范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，圖4顯示了在塑料表面上兩種方法的測(cè)量狀態(tài)。

（圖4）  達(dá)因筆(左) 與PCA 00（右）測(cè)試區(qū)域及耗時(shí)

采用兩種方法對(duì)四種樣品的測(cè)量結(jié)果統(tǒng)計(jì)如圖5所示，紅色代表達(dá)因筆的測(cè)量結(jié)果，藍(lán)色為PCA200的測(cè)量結(jié)果。

（圖5） 測(cè)量結(jié)果對(duì)比

由圖5可以看出，達(dá)因筆的方法很難給出精準(zhǔn)的測(cè)量的結(jié)果，對(duì)于材質(zhì)完全不同的四種樣品表面，采用達(dá)因筆的測(cè)量方式無(wú)法區(qū)分它們表面自由能的差別，這是由于達(dá)因筆測(cè)量結(jié)果的讀取依賴(lài)于目視評(píng)估，因此本質(zhì)上是主觀的人為估算值。而采用PCA200測(cè)量方法不僅能夠精準(zhǔn)計(jì)算四種樣品的表面自由能數(shù)值，而且能夠同時(shí)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(jìn)一步的數(shù)據(jù)支撐。

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

而且，達(dá)因筆的測(cè)量時(shí)間為45秒，而PCA200得益于其一鍵式的設(shè)計(jì)和全自動(dòng)擬合計(jì)算的優(yōu)勢(shì)使其測(cè)量時(shí)間僅為3秒。

與達(dá)因筆測(cè)量固體表面自由能方法相比，使用PCA200 便攜式接觸角測(cè)量?jī)x具有測(cè)量信息多、結(jié)果準(zhǔn)確、測(cè)量面積小、速度更快，操作更簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。PCA200非常適合生產(chǎn)過(guò)程中的固-液接觸角和固體表面自由能的在線(xiàn)檢測(cè)。

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