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Theta Flow–用户独立性,用于高要求的表面研究和质量控制

2021-04-12

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Theta Flow是一款性能优异的光学接触角测量仪。它的自动化程度达到了新高,精确度达到前所未有的高度,而且十分简单易用。综合上述特点使Theta Flow成为用户独立性的接触角测量仪。

 

01 自动化程度达到新高

自动生成液滴、自动液滴放置和自动样品台移动是接触角测量仪的典型特征。这些特性可以实现关键参数的全自动测量,如接触角、表面自由能(SFE)、表面张力和界面张力。然而,作为一个光学分析系统,光靠这些并不能完全保证用户独立性。

 

图像的精准对焦对于得到准确的结果至关重要。精准聚焦通常需要用户手动完成,由于观察小液滴时的景深非常小,因此用户需要有足够的经验才能顺利完成。Theta Flow具有先进的自动对焦功能,可以检测图像中的液滴和针头,并保持其精准对焦。这消除了所有测量中的用户依赖性,尤其在测量过程中焦点可能改变或难以正确校准的情况下该功能特别有用。示例包括在非均匀表面上的接触角测量或者测量动态接触角时,液滴在测量过程中可能会扩散出焦点。自动对焦功能可以跟踪液滴,在这些复杂的情况下无须用户介入。下面是一个动态接触角测量的示例视频,当液滴焦点改变时,相机跟踪液滴完成自动聚焦。

一旦图像被记录下来,测量过程中最容易出错的部分之一随之而来:分析。由于扩散、蒸发、空隙和其他类似的影响,在测量过程中接触角会发生变化。在不同时间点获得的不同接触角读数中,最终结果应该是哪一个?

 

一种选择是使用一个简单的设置,选择特定时间段内的接触角,或特定时间段内接触角的平均值。这种方法的缺点是时间对样本的依赖性很强,固定的时间对不同的样本起到的作用不同。

 

更好的方法是查看接触角随时间变化的数据,并在此基础上确定接触角何时稳定。Theta Flow会自动执行此操作,并根据所有可用数据确定接触角值。然后,接触角值自动输入到表面自由能计算中,以获得表面自由能SFE结果。类似地,在没有人为干扰的情况下,也可以使用Theta Flow自动确定前进角和后退角的数值。

 

02 精度和用户独立性

许多接触角测量仪具有较高的理论分辨率和精度。但由于许多误差原因没有被考虑进去因此这些精度通常很难达到。Theta Flow具有一系列的特性,旨在克服这些误差源并提供高精度的结果。

 

通常,接触角测量中最大的不确定源是液滴拟合。拟合液滴必须找到正确的基线,即液滴与固体样品接触的线。通常,基线的设置是手动完成的,需要用户有相当多的经验和专业知识。在更复杂的系统中,基线由系统自动设置。但是,自动基线也高度依赖图像中基线的可见度。相机在许多情况下应该向下倾斜大约2°,以提高基线可见度。与传统的接触角测量仪不同,Theta Flow相机的倾斜角被电子记录并与测量结果一起保存。这将确保结果的高度可追溯性和准确性。如果没有根据用户所需的值设置相机倾斜角度,Theta Flow会提醒用户。

 

同样,在进行表面张力或界面张力测量之前,确保相机保持水平也很重要。从一个倾斜的角度看悬挂液滴,结果会产生很大的误差,每倾斜一度误差在0.5%范围内。类似地,系统水平度通过Theta Flow的集成传感器进行跟踪。这将确保包含相机在内的系统整体水平度,否则,与相机倾斜类似,系统倾斜将对结果产生影响。

 

为了使基线尽可能清晰可见,Theta Flow采用了一套称为DropletPlus的基线视图改进算法。DropletPlus增加了基线的对比度和锐度,以最大限度地提高可见度,从而帮助进行自动基线和液滴形状分析。下面是示例图片,在更具挑战性的样表面上,DropletPlus处于打开和关闭状态,以显示基线可见度的差异。

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接触角测量中经常被忽略的一个因素是测试的环境条件。而环境温度通常具有约-0.1⁰/⁰C变化的影响。[1] 此外,湿度的影响通常更大,初始浸润性的变化可能超过5度,动态浸润性受环境湿度水平的影响更为强烈。[2] 由于这些原因,许多国际标准定义了张力测量的测量条件。例如,ISO 19403对测量时的温度和湿度有严格的限制。[3]

 

Theta Flow集成了环境温度和相对湿度数字传感器,将记录这些数值作为测量结果的一部分。测量条件可在测量数据中重新查看,这确保了高水平的可追溯性。

 

最后,特别是在测量极低浸润的应用中,相机的分辨率对测量精度尤为重要。[4] 对于这些超疏水表面,每个像素可能意味着几度的误差。Theta Flow有一个5 MP分辨率的摄像头(2592 x 2048 px),与常规的摄像头相比,将把这个误差降低50%。Theta Flow相机也能以超过3400帧每秒的拍照速度测量实验中的快速浸润和吸附。

 

03 易于使用

难用的功能用户通常不喜欢使用,只有简单易用的功能才能增加用户独立性和测量精度,同时操作者也能快速学会使用。

 

Theta Flow使用了OneAttension软件,该软件设计得尽可能图形化和直观化。自动生成结果和默认测量设置有助于最大限度地利用Theta Flow完成测量和分析。OneAttension还控制可抛弃型滴液头的滴液器,滴液系统无需清洁,无交叉污染。

 

作为进一步优化实验设置的专用工具,Theta Flow具有内嵌触摸屏,便于测量前的准备步骤。通过触摸屏能够很方便地控制和操作仪器的自动部件,如给滴液器填充液体和通过控制自动装置将样品放到样品台上。触摸屏还具有一个图形界面,用于电子液位传感器调平仪器。触摸屏还可以显示重要的测量参数数据,如相机倾斜角度和测量温度,以便用户一眼就能看到测量条件是否正确设置。

 

的用户独立性,可进行高要求的表面研究和质量控制

Theta Flow集成了许多特性和改进,便于用户独立性操作和得到高度可靠的结果。基于屡获殊荣的Theta Flex质量,Theta Flow是高性能和实用高质量的结合。

 

如果您想了解更多关于如何利用接触角测量仪测量,特别是Theta Flow进行质量控制的信息,请通过下方联系方式垂询。

 

参考文献:

[1] J.D.Bernardin, I. Mudawar, C.B. Walsh ,and E. I. Franses, “Contact angle temperature dependence for water droplet on practical aluminum surfaces”, International Journal of Heat and Mass Transfer, 40 (1997) 1017.

[2] V.H. Chhasatio, A. S. Joshi, and Y.Sun, “Effect of relative humidity on contact angle and particle deposition morphology of an evaporating colloidal drop”, Applied Physics Letters 97 (2010) 231909.
[3] ISO 19403 https://www.iso.org/standard/64808.html
[4] M. Vuckovac, M. Latikka, K. Liu, T.Huhtamäki, and R. H. A. Ras, “Uncertainties in contact angle goniometry”, Soft Matter 15 (2019) 7089.

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