Измерение степени гидрофильности поверхностей оптических материалов

Для того чтобы убедиться в том, является ли оптический монокристалл, служащий, например, в качестве оптического защитного материала окна для инфракрасных оптических систем, гидрофильным, гидрофобным или влагостойким, а в дальнейшем будет ли это влиять на пропускание оптической системы в целом, необходимо простое и точное устройство для измерения степени гидрофильности.

Итак, необходима установка для измерения угла смачивания. Угол смачивания характеризует поведение жидкости на твердой поверхности. При помещении жидкости (воды) на твердую поверхность она абсорбирует пары жидкости, пока летучесть поглощенного материала не станет равной летучести жидкости. Когда установится равновесие, между двумя фазами образуется поверхность раздела. Угол касательной между твердой и жидкой фазой называется углом смачивания.

Рис. 1. Установка для измерения угла смачивания

Краткое описание установки

Установку для измерения угла смачивания можно сделать самостоятельно (рис. 1), выбирая видеокамеру (цифровую или веб-камеру) и написав программу для обработки оптического изображения исследуемой капли либо используя стандартное программное обеспечение, дозатор жидкости, держатели сидящей и висящей капель, систему освещения образца и персональный компьютер, осуществляющий анализ изображений. Произвести настройку камеры возможно непосредственно из управляющей программы (яркость, контрастность и т. д.). Исходное изображение загружается из выбранного пользователем графического файла формата jpeg.

Изображение капли передается в компьютер при помощи специальной камеры. Управление процессом измерения осуществляется посредством ПК, снабженного соответствующим программным обеспечением. Программное обеспечение работает под управлением любой операционной системы – Linux, Windows – и имеет интуитивно понятный интерфейс.

Базовая программа позволяет получить информацию о краевом угле на основе анализа полученного изображения.

Измерения производятся с помощью стандартного программного обеспечения (например, CorelDrow) или специального программного обеспечения, затем рассчитывается значение краевого угла смачивания. Оператор просто отыскивает координаты точек границ твердой и жидкой фазы, а также точек соприкосновения трех фаз. Сначала находится точка границ твердой и жидкой фазы объекта. Она будет считаться верхней точкой капли жидкости. И угол смачивания для этой точки – рaвнoвeсный крaeвoй угoл θ, рис. 2, вычисляют из условия мeхaничeскoгo рaвнoвeсия нa линии трeхфaзнoгo кoнтaктa пo oснoвным рaзмeрaм кaпeль жидкoсти, нaнoсимых нa твeрдыe пoвeрхнoсти мoнoкристaллoв.

Рис. 2. Схeмa oпрeдeлeния крaeвых углoв

(1)

где δ_ТГ, δ_ТЖ, δ_ЖГ – удeльныe свoбoдныe пoвeрхнoстныe энeргии нa грaницaх рaздeлa твeрдoe тeлo – гaз, твeрдoe тeлo – жидкость и жидкость – газ.

Пo мeтoду прoeкции кaпли θ oпрeдeляeтся пo рaдиусу плoщaди с исслeдуeмoй пoвeрхнoстью (r) и высoтe (h) капли:

(2)

Аналогичные действия производятся с другой каплей, получается угол Ɵ₂ – Ɵ₁₀, и рассчитывается среднее значение угла смачивания.

С помощью такой установки можно измерять краевые углы смачивания. Принцип измерений основан на анализе формы межфазной поверхности сидящей капли жидкости. Установка ориентирована на рутинное применение в фундаментальных исследованиях, промышленности, образовании.

В результате при хорошем разрешении можно увидеть качественную картину, с достаточной точностью позволяющую измерить угол смачиваемости: интервал измерения краевых углов 0…180 град с точностью 1 град, рис. 3.

Рис. 3. Изображение сидящей на подложке капли в неоднородно освещенном поле. Измерения краевых углов

Таким образом, можно определить, насколько поверхность оптических материалов гидрофобна или гидрофильна и пригоден ли данный материал для дальнейшего использования в тех или иных условиях эксплуатации.