Метод лежачої краплі

У методі краплі, що лежить, рідина з відомим поверхневим натягом поміщається на тверду поверхню за допомогою шприца. Діаметр краплі має бути від 2 до 5 мм; це гарантує, що крайовий кут не залежатиме від діаметра. У разі дуже малих крапельок буде великий вплив поверхневого натягу самої рідини (формуватимуться сферичні краплі), а у разі великих крапель починають домінувати сили гравітації.

У методі краплі, що лежить, вимірюється кут між твердою поверхнею і рідиною в точці контакту трьох фаз. Співвідношення сил міжфазного та поверхневого натягу в точці контакту трьох фаз може описуватися рівнянням Юнга, на базі якого можна визначити крайовий кут:

Приватним випадком є метод "полоненої бульбашки": крайовий кут вимірюється під поверхнею рідини.

Спочатку вимірювання проводились за допомогою гоніометра (ручного приладу для вимірювання контактного кута) або мікроскопа. Сучасні технології дозволяють записати зображення краплі та отримати всі необхідні дані за допомогою програм.

Статичний крайовий кут

При статичному методі розмір краплі не змінюється протягом всього виміру, але це не означає, що кут контакту завжди залишається незмінним. Навпаки, вплив зовнішніх факторів може призвести до зміни кута контакту з часом. Через седиментацію, випаровування та аналогічні хімічні або фізичні взаємодії крайовий кут буде мимоволі змінюватися з часом.

З одного боку, статичний крайовий кут не може абсолютно оцінити вільну енергію твердої поверхні, а з іншого він дозволяє охарактеризувати тимчасову залежність таких процесів як висихання чорнила, нанесення клею, абсорбцію.та адсорбцію рідин на папері.

Зміна властивостей у часі (розтікання краплі) найчастіше заважають дослідженням. Як джерело помилки також може виступити цятка, подряпина на зразку, будь-яка неоднорідна поверхня буде мати негативний ефект в точності вимірювання, що може бути зведено до мінімуму в динамічних методах.

Динамічний крайовий кут

При вимірі динамічного контактного кута голка шприца залишається в краплі і її обсяг змінюється з постійною швидкістю. Динамічний кут контакту описує процеси межі тверде тіло/рідина під час збільшення обсягу краплі (натікающий кут) чи зменшенні краплі (оттекающий кут), тобто. під час змочування та осушення. Кордон не утворюється миттєво, для досягнення динамічної рівноваги потрібен час. З практики рекомендується встановлювати потік рідини 5 - 15 мл/хв, більш висока швидкість потоку лише імітуватиме динамічні методи. Для високов'язких рідин (наприклад, гліцерину) швидкість формування краплі буде мати інші межі.

Натікаючий кут. Під час вимірювання кута, що натікає, голка шприца залишається в краплі протягом усього досвіду. Спочатку на поверхні утворюється крапелька діаметром 3-5 мм (при діаметрі голки 0,5 мм, яка використовується фірмою KRUSS), а потім розпливається по поверхні. У початковий момент кут контакту залежить від розміру краплі, т.к. сильні сили зчеплення із голкою. За певного розміру краплі кут контакту стає постійним, і саме в цей момент треба проводити вимірювання. Цей тип виміру має найбільшу відтворюваність. Натікаючі кути зазвичай вимірюють визначення вільної енергії поверхні.

Відтікаючий кут. Під час вимірювання кута, що відтікає, розмір краплі зменшується, т.к. поверхня осушується: велика крапля (приблизно 6 мм діаметрі) поміщається поверхню і потім повільно зменшується з допомогою всмоктування через голку. За різницею між натікаючим кутом і відтікаючим кутом можна зробити висновок про нерівності поверхні або її хімічну неоднорідність. Відтікаючий кут не підходить для розрахунку СЕП.

Метод Юнга-Лапласа. Найбільш трудомісткий, але й найбільш точний метод розрахунку крайового кута. У цьому вся методі при побудові контуру краплі враховуються поправки те що, як міжфазні взаємодії руйнують форму краплі, а й власну вагу рідини. Ця модель передбачає, що форма краплі симетрична, тому вона може використовуватися для динамічних крайових кутів. Для краплі, що натікає, крайовий кут також може бути визначений тільки до 30°.

Метод довжини-ширини. У цьому методі оцінюється довжина розтікання краплі та її висота. Контур, що є частиною кола, вписують у прямокутник і розраховують крайовий кут із співвідношення ширини та висоти. Даний метод точніший для дрібних крапель, форми яких ближче до сфери. Не підходить динамічного крайового кута, т.к. голка залишається у краплі і не можна точно визначити висоту краплі.

Метод круга. У цьому методі крапля представляється як частина кола, як і в методі довжини-ширини, проте крайовий кут розраховується не за допомогою прямокутника, а за допомогою сегмента кола. Але на відміну від методу довжини-ширини голка, що залишилася у краплі, менше впливає результати виміру.

Тангенціальний метод 1. Повний контур краплі, що лежить, підганяється до рівняння конічного сегмента. Похідна цього рівняння в точці перетину контуру табазової лінії дає кут нахилу у точці контакту, тобто. крайовий кут. Цей метод можна використовувати з динамічними методами оцінки у разі, якщо крапля не сильно руйнується голкою.

Тангенціальний метод 2. Частина контуру лежачої краплі, розташованої поряд з базовою лінією, адаптована до функції полінома типу y=a + bx + cx 0,5 + d/lnx + e/x 2 . Ця функція вийшла внаслідок численних математичних моделювань. Метод вважається точним, але чутливим до забруднення та сторонніх речовин у рідині. Підходить визначення динамічних крайових кутів, але вимагає чіткого побудови зображень, особливо у точці контакту фаз.

Метод краплі (sessile drop), що лежить, реалізований у приладах для вимірювання крайового кута DSA, які широко використовуються в лабораторіях для вивчення властивостей поверхонь. Дані прилади також дозволяють виміряти поверхневий і міжфазний натяг рідин шляхом висячої краплі.