3D接触角应用于测试圈烟接触角值及其应用实例

接触角测量仪用于测试固体材料的接触角值是一个典型的应用。目前，绝大多数的接触角测量仪均是采用圆拟合、椭圆拟合或切线法、Young-Laplace方程拟合法的仪器。其中，圆拟合、椭圆拟合以及切线法的接触角测量仪，因其采用的测试算法为简单的角度测量的量角工具，因而，通常这些仪器只能视为普通的数码量角器。其明显的缺陷在于：

1、这些测试算法无法将重力系数进行修正，因而，测值结果易受重力影响而导致重复性非常差；

2、事实上的液滴轮廓的非圆（球形）或椭圆（椭球）形的特征，决定了其测值结果应采用与界面化学分析原理相关的算法，因而量角器原理的所谓的接触角测量仪的测值结果的科学性存在问题，测值绝对精度与存在问题。

3、98%的样品因其材料的本身客观存在的化学多样性、表面粗糙度以及异构性导致，接触角值在3D状态下为非轴对称的。因而，量角器法的仪器事实上无法用于准确的测量左、右角度值并将其应用于实际的应用。

Young-Laplace方程拟合法，将重力系数以及表面张力、接触角值综合参与运算，因而，这个算法在接触角测量上：

1、符合界面化学原理，测值结果的科学性以及可靠性均好；

2、测值的重复性好，自动修正重力影响，因而接触角测量时，在一定的体积范围内，重力影响被修正，接触角值的测值结果在样品好的时候保持几乎不变。

这也是国外仪器与国产的接触角测量仪的本质区别所在。

但是，正如上所示，98%的样品因其材料的本身客观存在的化学多样性、表面粗糙度以及异构性导致，接触角值在3D状态下为非轴对称的。因而，量角器法的仪器事实上无法用于准确的测量左、右角度值并将其应用于实际的应用。因而，Young-Laplace方程拟合法无法用于绝大多数的接触角值样品的测试条件，换言之，其测值精度事实上是存在问题的。

根据YC/T 424-2011《烟用纸表面润湿性能的测量 接触角法》Determination of surface wettability of paper for cigarette contact angle meter。 接触角测值结果可用于评估卷烟纸的润湿性。其中，按传统的接触角测量测量仪，提供了四种主要的测试方法，包括：椭圆法、切线法、宽高法、圆形拟合法和杨氏方程拟合法（Young-Laplace方程拟合法）。而在具体的测试应用中，由于材料本身的化学多样性、表面粗糙度以及异构性（表面形貌结构）导致的接触角滞后，将影响到测值结果以及评估。因而，如上的所有的方法在具体的应用中存在一定的缺陷。

对于四种不同卷烟纸，我们进行了测量，测量的结果如下所示：

并进而，我们对如上接触角测量仪得到的接触角值数据进行整理分析：

从如上数据可以看出：

1、从如上数据来分析，亲水性程度而言，其程度排序为1#＜2#＜3#＜4#；

2、其中最为特殊的是2#和3#样品，其接触角值差值为4度，换算至表面自由能约为2.32mN/m，不足以用作判断是否有明显区别的标准。通常为5mN/m的差值可用作判断不同材料的依据。

"3、根据3D接触角原理，接触角值标准差偏差范围为±1度时，表面自由能的变化范围为2mN/m。可以用作判断样品的均匀度或表面粗糙度导致的滞后接触角明显与否的依据。

从接触角值分布来看，2#样品的接触角值标准差分布为1.6，远超1度的要求。因而，2#样品的表面清洁度或均匀度是最差的。而3#样品事实上比4#样品的表面清洁度或均匀度要好，即接触角滞后现象更为不明显。"

4、从如上数据来看，1、2、4号样品均存在明显的左、右接触角值标准差较大的情况，因而，表面的清洁度处理可以有利于提升材料的润湿性，且有一定的改良的空间。这个空间是指接触角值左、右值可以实现标准差值小于1度接触角值。

综合如上可以看出：

1、通常的量角器法的接触角测量仪无法满足实际的非常复杂的应用需求，如表面清洁度评估、表面均匀度、表面粗糙度影响的接触角值的评估；

2、Young-Laplace方程拟合的方法无法用于评估绝大部分样品。因而，98%的样品的左、右、前、后角度值通常存在偏差。

3、阿莎算法（ADSA-RealDrop）由于其非轴对称性以及重力系数修正功能，是目前为止评估材料性质以及润湿性相对而言较好的方法。在评估有效性以及测值精度方面均有明显的区别于常规的方法。