纖維在液體基質(zhì)中的潤濕行為在紡織工業(yè)和高級纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的制造中起著重要作用。纖維樣品的尺寸可能介于外徑5µm(如超細(xì)纖維)至數(shù)毫米(如金屬絲等)之間,由于纖維樣品的圓柱形狀和微小直徑,液滴表面在接近三相接觸點時會急劇變化,甚至出現(xiàn)拐點(座滴的輪廓在平面樣品上永遠(yuǎn)不會出現(xiàn)拐點),導(dǎo)致直接在纖維樣品上測量接觸角通常比在平面上要困難得多。
單一纖維的接觸角,是基于對單絲上單個液滴的直接微觀觀測,通過液滴的輪廓采用*不同的計算算法來確定接觸角。
用于描述和計算液滴在單絲(DoF)體系接觸角的數(shù)學(xué)模型,是基于與測量常規(guī)座滴接觸角相同的Laplace-Young方程(參見下圖的公式)。然而,邊界條件的選取有很大差別,這導(dǎo)致液滴的輪廓*不同。如果可以準(zhǔn)確測量液滴的長度l 和高度 h,則可以根據(jù)系統(tǒng)方程計算接觸角,該方程稱為大液滴長-高法(MLH)。然而,在實際應(yīng)用中,很難準(zhǔn)確測量液滴大長度l,特別是對于直徑小于15µm的超細(xì)纖維,因為很難從視覺上或數(shù)學(xué)上明確的識別纖維表面的三相接觸點。然而,接觸角的數(shù)值即使對液滴長度l值中的微小誤差也相當(dāng)敏感。
為了克服這一困難,LAUDA Scientific光學(xué)
接觸角測量儀的SurfaceMeter軟件采用了多種計算方法,通過DoF體系的液滴外形來計算接觸角。除了大液滴長-高法之外,它還提供了廣義液滴長-高法(GLH)。GLH法不僅通過(
l,
h)數(shù)值對確定接觸角的值,而且還根據(jù)許多其它輪廓坐標(biāo)對確定接觸角的值。因此,采用整個液滴輪廓進(jìn)行計算,而不僅僅是MLH法那樣只使用兩個,這使得該方法更加可靠和準(zhǔn)確。
直徑小于15µm的微纖維上的液滴體積通常小于100pl(皮升),因此,這類測量需要使用特殊的皮升注射單元。此外,還需要適用于微纖維的高倍光學(xué)系統(tǒng)和特殊樣品臺。
除DoF法外,LAUDA Scientific光學(xué)接觸角測量儀還提供了另一種光學(xué)方法,用于研究直徑范圍從幾微米到幾毫米的單絲的潤濕行為,這就是所謂的Liquid-Bridge Meniscus (LBM)液橋法。
與DoF法相比,LBM法可以測量大于90度的接觸角。LBM法也考慮了重力因素,因此這種方法可用于測量任意尺寸的單絲。此外,由于有足夠多的液相,因此液體的蒸發(fā)對于LBM法來說根本不是問題,而對于DoF來說則是一個嚴(yán)重的問題。
借助DoF法和LBM法,LAUDA Scientific為客戶提供了目前市場上較好的單一纖維測量方法,用于研究從微米級的超細(xì)纖維到毫米級的圓棒的潤濕性。借助于粉末和多孔樣品模塊(POM),超細(xì)纖維也可以作為纖維束進(jìn)行研究。
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