介紹
大尺寸樣品表面的功能涂層的潤濕特性，現(xiàn)在可以實現(xiàn)現(xiàn)場實時無損檢測了。本文以擋風(fēng)玻璃和印刷輥的檢測實驗為例，進行舉例說明。
圖1 MSA One-Click SFE型便攜式液滴形狀分析儀現(xiàn)場檢測
汽車擋風(fēng)玻璃、大廈玻璃幕墻、淋浴房玻璃墻和平板顯示器TFT屏幕有什么共同點？那就是這些材料的應(yīng)用性能，都可以通過功能涂層得到顯著提高。防污及防水的硅基彩色立面，通過防止灰塵、煤煙和苔蘚附著在上面，來保持房子的長期美觀性。防水的汽車擋風(fēng)玻璃和側(cè)窗可以使雨滴迅速滾落，從而增加了駕駛的安全性。帶有疏水涂層的淋浴房玻璃墻、瓷磚和浴室設(shè)備可以有效避免水漬。
除此之外，定義和確定部件的潤濕特性在電子工業(yè)中起著決定性的作用，例如平板顯示器TFT屏、硅芯片和硬盤的制造。在所有這些應(yīng)用中，表面能是決定性的參數(shù)。在技術(shù)上，測量表面能是很容易的，常用的測試液體有水、二碘甲烷、乙二醇、甲酰胺或甘油等，將2至10μl的不同極性的測試液滴在待測樣品表面，用視頻檢測系統(tǒng)確定三相點的潤濕角的切線，計算公式如下圖所示。
圖2 用楊氏方程表征固體與液體的接觸角
大尺寸樣品檢測中遇到的問題
由于上述測試過程需要搭建光學(xué)工作臺，所以對于邊長超過0.5 m的樣品進行非破壞性測量就十分困難，需要將待測樣品切割成適合實驗室測試的尺寸，這意味著對擋風(fēng)玻璃，印刷輥或清潔槽等進行完整的無損檢測需要另尋他法。
MSA One-Click SFE型便攜式液滴形狀分析儀可以便捷準(zhǔn)確的實現(xiàn)上述檢測需求，無論是實驗室還是生產(chǎn)加工現(xiàn)場，都可以無損、快速地對待測物料進行實時檢測。更重要的是便攜式液滴形狀分析儀對待測物的尺寸、形狀、和位置沒有任何限制，隨時隨地可以獲得準(zhǔn)確的測試結(jié)果。
下面我們舉兩個實例來進行說明。
擋風(fēng)玻璃和印刷輥上的檢測
具有疏水涂層擋風(fēng)玻璃在汽車高速行駛時為駕駛者提供了極佳的能見度，同時，這種昂貴涂層的穩(wěn)定性和使用壽命也都是被關(guān)注的重點。在紫外線照射和雨刮器的機械力作用下，涂層會逐漸磨損，磨損程度可以通過擋風(fēng)玻璃的接觸角指標(biāo)來量化。顯然，這個測試無法用實驗室儀器來完成，因為我們既不可能從擋風(fēng)玻璃上切下一塊進行檢測，現(xiàn)代的粘合劑技術(shù)也不允許我們從汽車上非破壞性地取下?lián)躏L(fēng)玻璃。那么MSA One-Click SFE型便攜式液滴形狀分析儀恰好派上用場。
對于印刷滾筒來說，最重要的不是涂層的疏水性，而是紙張和滾筒在整個區(qū)域內(nèi)相互作用的均勻性。在高速滾動下，不同的粘合力可能導(dǎo)致應(yīng)力不均甚至紙張撕裂，直接增加了生產(chǎn)成本。因此印刷輥制造商非常關(guān)注印刷輥上相互作用的分布，即表面狀況及其磨損程度。印刷輥通常長達(dá)10米，直徑可達(dá)2米，這完全排除了實驗室測量的可能性，但對MSA One-Click SFE型便攜式液滴形狀分析儀來說根本不是問題。
圖3 MSA One-Click SFE型便攜式液滴形狀分析儀對樣品尺寸及形狀毫無限制
實驗案例
擋風(fēng)玻璃的雨刮器負(fù)載循環(huán)次數(shù)分別設(shè)為2500、5000、10000、15000、20000、22000、25000和40000次，在經(jīng)過一定次數(shù)的循環(huán)后，部分擋風(fēng)玻璃被液滴遮蓋了，這意味著涂層在不同負(fù)載條件下的性能減退已經(jīng)十分明顯。
另外，在一個新型疏水涂布的印刷輥上，測試使用前和使用一星期后的數(shù)據(jù)，印刷輥總長度10米，每隔1米測定一次潤濕性。
兩個實驗都采用MSA One-Click SFE型便攜式液滴形狀分析儀進行手持測量。測試液使用水(極性，高表面張力)和二聚甲烷(非極性，介質(zhì)表面張力)。同時測試兩個平行樣。重復(fù)檢測10次。用Krüss液滴形狀分析軟件，利用Young-Laplace方程對視頻檢測系統(tǒng)記錄的圖像進行分析并計算表面能。
表面能
就像液體一樣，固體與周圍相的相互作用也可以被描述出來，對于液體用表面張力表征，對于固體用表面能表征。不同液體的接觸角與固體的表面能直接相關(guān)，通過使用兩種已知但表面張力不同的液體，可進行獨立測量來求解。
接觸角小，潤濕性好，表面能大；同時，接觸角大，潤濕性差且表面能小。
此外，可以使用不同的模型來獲得固體表面能的極性和分散組分間的相互作用。下圖顯示了用液體和固體極性和非極性部分相互作用的方法，來預(yù)判液體在固體表面的潤濕性和附著力。大手象征著極性，小手象征著非極性。
圖4極性和極性、非極性和非極性完全相互作用在一起，產(chǎn)生最大的附著力和0°的接觸角
圖5 極性和非極性兩者交互分量不相同
擋風(fēng)玻璃測試結(jié)果
擋風(fēng)玻璃疏水涂層的工作壽命很大程度上取決于它所受到的機械應(yīng)力，如圖6所示。實驗剛開始時擋風(fēng)玻璃具有良好的疏水性，經(jīng)過20000次加載循環(huán)后，其性能明顯降低。這個問題可能可以通過改進表面鍵合或交聯(lián)疏水基團進行改善。
圖6水和二碘甲烷的接觸角隨雨刷器的循環(huán)次數(shù)變化的函數(shù)
非極性液體二甲烷的接觸角不受機械應(yīng)力的影響。其接觸角數(shù)據(jù)的非均勻性變化是受到表面污垢和其他因素影響的結(jié)果。
如果使用Owens/Wendt方法計算表面能，結(jié)果如圖7所示。當(dāng)負(fù)載循環(huán)超過20000次時，極性相互作用明顯增加，而分散分量幾乎保持不變。隨著載荷的增加，潤濕性越來越好，可見性越來越差，這與表面能量或極性的增加相對應(yīng)。
圖7總表面能及其極性和分散分量隨雨刷器的循環(huán)次數(shù)變化的函數(shù)
印刷輥檢測結(jié)果
由圖8可以清楚地看出，在使用前，印刷輥具有良好的疏水性能，即水的接觸角為90°左右。很明顯，這個值在整個輥寬上保持非常恒定，且非極性二甲烷和水的測試結(jié)果相似。然而，在使用一個星期后，這種情況就發(fā)生了根本性的變化。在印刷輥的某些位置還保留了原始的性能，但在其他許多位置測量到的接觸角要小得多，表面性能的分布不均勻十分明顯。正是這種非均性分布使紙張與印刷輥的附著力不同，而在紙張內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，從而導(dǎo)致紙張撕裂和機器停機。
圖8 水和二碘甲烷的接觸角與印刷輥位置的關(guān)系圖
(輪廓符號代表新輥；實心符號代表使用一周后的印刷輥)
總結(jié)
用MSA One-Click SFE型便攜式液滴形狀分析儀測量接觸角，可以在現(xiàn)場進行實時檢測，且不受樣品尺寸、形狀、角度和部位的限制，為工藝流程的質(zhì)量控制以及產(chǎn)品工藝的改進提供了重要的參考數(shù)據(jù)。
在玻璃表面分析的應(yīng)用中主要總結(jié)為以下幾方面：
1.窗玻璃板粘合
2.疏水涂層（汽車玻璃、眼鏡鏡片、淋浴房玻璃墻）
3.防碎
4.易于清潔和自清潔的涂層
5.防涂鴉
6.防紫外線
原文來源于克呂士提供的應(yīng)用文章
