接触角是液滴或液体与固体表面之间的角度，通常是液体表面和固体表面的交界处形成的角度。当一液体与固体表面相接触时，液体在与固体表面相接触（点）处（三相接触边界，3PCP）其液/气-界面形状走向的切线与固体表面（包括液体相一侧）之间的夹角。
在固体表面上的液滴（座滴）和接触角
在固体表面上的液面和接触角
这个角度的大小对于理解和描述液体在固体表面上的行为非常重要，尤其是在润湿和表面张力的背景下。
当润湿性很好时，液体可以在固体表面完全铺展开，呈现 0° 的接触角值；当润湿性很差时，液体在固体表面完全无法铺展，只能聚集在一起而包成一团，呈现 180° 的接触角值；当润湿性介于很好与很差之间时，液体在固体表面可以有限度地铺展开来，形成介于 0°~180° 之间的接触角。
这一有限的接触角值是体系中各个不同的相互作用力的平衡，也是体系趋向最低能量的结果。
相互作用力包括哪些？
01
液体自身的表面张力（γLγL）
这一值越大，液体越倾向于聚集在一起、包成一团，而不愿意在固体表面上铺展开来；
02
固体自身的表面张力或表面（自由）能（γSγS）
这一值越大，固体表面的能量位越高，越希望有能量较低的液体层能够在其上面铺展开来而覆盖它，以降低体系的能量；
03
液体/固体表面-界面的相互作用力（γSLγSL）
这一值越小，固体表面对液体的吸引力越大，液体越能够在其上面铺展开来，导致较低的接触角值。
所以，如果希望液体能够较好地润湿固体表面：液体的表面张力值越低、固体的表面能值越高、液体/固体表面-界面的相互作用力越强就越有利。
反之，如果希望液体最好不要润湿固体表面：液体的表面张力值越高、固体的表面能值越低、液体/固体表面-界面的相互作用力越弱就越有可能。
如果假设液体的表面张力值（γLγL）是已知的（这一值可以直接测量，所以比较容易准确获得），再假设 γSLγSL 与 γSγS、γLγL 之间存在某一确定的依赖关系，如：γSL = f(γS,γL)γSL = f(γS,γL)。那么接触角的值与这些相互作用力之间的关系，可以表达为：
也就是说，接触角的值与液体表面张力和固体表面能有关（上式中的 ff，gg 和 hh 均表示一定的函数/依赖关系）。当前者给定时，其值直接与固体表面能相关。所以测量所使用的液体也被称为探针液体（probe），通过测量它在固体表面的接触角值，可以用来探测固体表面的表面能值，也即固体表面的润湿属性，而这也正是接触角测量之应用基础。
接触角值的测量目前有二种常用的方法：基于称量的 Modified Wilhelmy Plate 方法和基于液面（liquid meniscus）形状分析的光学法。前者属于间接的方法，后者属于直接方法。
接触角的类型
接触角可以分为两种主要类型。
接触角＜90°：
当液滴或液体与固体表面的接触角小于 90° 时，我们称之为亲水性（hydrophilic）。这意味着液体在固体表面上有较好的润湿能力，液滴倾向于扩展并均匀分布在表面上。
接触角＞90°：
当接触角大于 90° 时，我们称之为疏水性（hydrophobic）。这表示液体不易在固体表面上润湿，形成较为球状的液滴，沿表面滚动或反弹。
接触线＜90°：
接触线小于 90° 表示亲液性（oleophilic），即液体有亲油性，易于在固体表面上润湿。
接触线＞90°：
接触线大于 90° 表示疏油性（oleophobic），即液体不易与固体表面发生接触。
影响因素
接触角的大小受多种因素影响，包括表面张力、固体表面的化学性质、液体的表面张力和表面能等。一些材料可以经过特殊处理，使其具有特定的接触角，这在应用中非常有用，例如在防水材料、抗粘附涂层、生物医学器械等方面。
接触角的应用
接触角的应用非常广泛，几乎涉及到我们生活的方方面面。比如我们希望汽车玻璃上不沾雨水、但反之我们希望汽车钢板上的油漆永不脱落；比如农药和蔬菜叶面、涂料和内外墙面、绝缘油和绝缘材料、纳米材料表面改性等等。从教学科研、工农业生产到日常生活，举不胜举。
接触角测量仪
接触角测量通常通过光学或图像处理技术进行，其中观察液滴在固体表面上的形状，并根据一定的几何关系计算接触角。
01
粘附和涂层
粘附/涂层前预处理效果评判
在处理玻璃、金属、聚合物（如粘合和涂覆时），材料的表面自由能和一些表面污染物会影响其粘合性，通常会对这些材料进行预处理，具有高表面自由能的固体（如金属）通常更易于涂覆或粘合，对于具有低表面自由能的材料（特别是塑料），经常用电晕、等离子处理、火焰处理和化学处理等方法增加其表面自由能。接触角测量仪可以判断清洗结果和表面自由能的大小。
涂层效果评估
一些常见的涂层，如汽车挡风玻璃和眼镜片等表面会镀一层疏水膜层，还有一些工件需要亲水性的涂层，利用接触角测量仪可以判断所镀膜层的亲疏水性能。
液体粘附性大小的测量
想要保证涂层不脱落，除了与工件表面的自由能有关，还与涂料的性能有很大关系，通常会在涂料中加入表面活性剂以降低涂料的表面自由能，接触角测量仪可以通过对表面张力的测量评估表面活性剂的性能。
02
粉末的润湿性
粉末接触角测量是评估粉末润湿性最常用的方法，接触角大小可以直观表征出粉末的润湿性，为粉末后续应用提供重要参数。
粉末涂料
在粉末涂料的制备过程中，粉末颗粒需要均匀地分散在液体中，粉末润湿性好可以使液体更好地浸润，有助于液体在粉体中的渗透和扩散，提高涂层的附着力和稳定性。
制药工程
在制药工业中，部分药物以粉末状存在，粉末的润湿性直接影响药物的溶解性，关系到药物的疗效。
化学工业
在化学工业中，一些化学反应需要在粉末与液体之间进行，如果粉末的润湿性差，会导致化学反应不均匀或不能进行，影响产物的质量和产量。
03
电子工业
晶圆的洁净度
RCA 清洗是硅片加工前的标准清洗方法。水破裂实验通常用于检查清洁程序后的表面状态。水接触角的测量提供了一种可追溯和定量的方法来进行表征。
表征光刻胶的附着力
适当的光刻胶附着力对于成功的光刻工艺是至关重要的。硅片上的水接触角通常是相当低的，因为表面从环境湿度中吸附了水。在脱水烘烤后，通常会涂覆疏水性 HMDS 涂层，使表面更加疏水而不易吸水。水接触角的测量可以用来寻找最佳的 HMDS 处理方案，并检查处理是否成功。
检查 PCB 清洁度
由于助焊剂对PCB的有害影响，针对 PCB 有各种各样的清洁测试，其中 ROSE 是最常使用的。水接触角的测量为 ROSE 测试提供了一个很好的替代方案。水接触角的测量是通过在 PCB 上放置一滴水来完成的。如果水珠凸起大（即接触角大），表面不具有保形涂层。如果水扩散（即接触角小），则表面没有有机污染物，可以进行涂层。接触角测量的优点是可以在非常小的区域进行。
本文源自微信公众号：中科蓝海ZKBO
原文标题：《接触角测试》
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