Ocena właściwości powierzchni materiałów wymaga precyzyjnych metod pomiarowych. Jednym z urządzeń wykorzystywanych w laboratoriach badawczych i kontroli jakości jest goniometr optyczny, który pozwala analizować zachowanie kropli cieczy na badanej powierzchni. Jakie możliwości daje to urządzenie i na czym polega jego działanie? Sprawdź najważniejsze informacje.
Spis treści:
- Jak działa goniometr optyczny?
- Co mierzy goniometr optyczny?
- Z czego składa się goniometr optyczny?
- Do czego wykorzystuje się goniometr optyczny?
- FAQ
Jak działa goniometr optyczny?
Podstawą działania goniometru optycznego jest analiza kształtu kropli zarejestrowanej przez kamerę. Cały proces przebiega automatycznie i obejmuje trzy etapy, które umożliwiają uzyskanie powtarzalnych wyników. Metoda analizy obrazu eliminuje konieczność ręcznego wyznaczania parametrów, a obliczenia wykonuje specjalistyczne oprogramowanie. Pomiar wykonuje się zarówno statycznie jak i dynamicznie przez analizę kolejnych klatek przechwyconych przez kamerę.
Najpierw mikrodozownik osadza niewielką kroplę badanej cieczy na płaskiej próbce albo formuje ją na końcu cienkiej igły. Następnie kamera o wysokiej rozdzielczości rejestruje jej profil przy równomiernym oświetleniu tła. Ostatni etap stanowi analiza numeryczna. Program rozpoznaje granicę faz i dopasowuje model matematyczny, m.in. równanie Younga–Laplace’a, wyznaczając wartości wymaganych parametrów.
Co mierzy goniometr optyczny?
Jedno urządzenie umożliwia wykonanie kilku rodzajów pomiarów wykorzystywanych podczas badań materiałów, cieczy oraz powłok. Każdy z nich dostarcza innych informacji o właściwościach badanej próbki.
Pomiar statycznego i dynamicznego kąta zwilżania
Badanie kąta zwilżania polega na wyznaczeniu kąta utworzonego między powierzchnią próbki a styczną do kropli w miejscu kontaktu z materiałem. Wynik pozwala określić, czy powierzchnia wykazuje właściwości hydrofilowe, czy hydrofobowe. Takie dane wykorzystuje się m.in. podczas oceny jakości powłok ochronnych, przygotowania powierzchni przed klejeniem lub kontroli procesów technologicznych. Inną często stosowaną metodą jest pomiar histerezy zwilżania polegającą na pomiarze kątów postępowania i ustępowania. Taki pomiar można wykonać przez kontrolowane manualnie lub automatycznie nachylenie podstawy miernika, co powoduje zsuwanie się kropli po powierzchni podłoża.
Swobodna energia powierzchniowa
Ten parametr oblicza się na podstawie wyników uzyskanych dla jednej, dwu lub więcej cieczy wzorcowych o znanych właściwościach. Oprogramowanie analizuje wartości kąta zwilżania i wyznacza całkowitą energię powierzchniową badanego materiału wraz z jej składowymi używając jednej z wielu dostępnych metod obliczeniowych. Pozwala to porównywać próbki oraz oceniać wpływ obróbki powierzchni na ich właściwości.
Pomiar napięcia powierzchniowego i międzyfazowego
Do wyznaczenia tych wartości najczęściej wykorzystuje się metodę wiszącej kropli. Kamera rejestruje jej kształt, który zmienia się pod wpływem siły grawitacji i napięcia powierzchniowego. Analiza obrazu umożliwia bardzo dokładne obliczenie parametrów badanej cieczy lub układu dwóch faz.
Z czego składa się goniometr optyczny?
Każdy element urządzenia odpowiada za określony etap pomiaru. Dopiero współpraca wszystkich podzespołów pozwala uzyskać wiarygodne wyniki oraz zachować wysoką dokładność analizy.
Układ optyczny
System obejmuje kamerę CCD lub CMOS oraz źródło światła, najczęściej w technologii LED. Wyraźny kontrast pomiędzy kroplą a tłem ułatwia precyzyjne wykrycie jej konturu i wykonanie dalszych obliczeń.
Dozownik
Za przygotowanie próbki odpowiada manualny albo sterowany komputerowo system strzykawkowy. Precyzyjne dozowanie pozwala uzyskać krople o odpowiedniej objętości, a to ma duże znaczenie dla poprawności pomiarów.
Stolik próbek
Badany materiał umieszcza się na platformie z regulacją w trzech osiach. Możliwość dokładnego ustawienia i wypoziomowania próbki ogranicza ryzyko błędów pomiarowych oraz ułatwia prowadzenie analiz różnych rodzajów materiałów.
Do czego wykorzystuje się goniometr optyczny?
Pomiary wykonywane za pomocą goniometru optycznego znajdują zastosowanie wszędzie tam, gdzie istotna jest ocena właściwości powierzchni materiałów oraz zachowania cieczy w kontakcie z ciałem stałym. Wyniki badań wykorzystuje się podczas opracowywania nowych produktów, kontroli jakości i prac badawczo-rozwojowych. Metoda analizy obrazu pozwala porównywać próbki przed oraz po obróbce powierzchni takich jak czyszczenie lub aktywacja, a także oceniać skuteczność stosowanych procesów technologicznych.
Urządzenie znajduje zastosowanie w wielu branżach, m.in. w:
- przemyśle motoryzacyjnym – do oceny powierzchni przed klejeniem, lakierowaniem lub nakładaniem powłok;
- elektronice – podczas badań materiałów wykorzystywanych do produkcji podzespołów;
- przemyśle farmaceutycznym – przy analizie właściwości różnych cieczy i materiałów;
- laboratoriach naukowych – do prowadzenia badań nad nowymi materiałami oraz powłokami;
- przemyśle chemicznym – w analizie napięcia powierzchniowego i międzyfazowego cieczy.
FAQ:
1. Jak wygląda pomiar napięcia powierzchniowego cieczy przy pomocy goniometru?
Pomiar napięcia powierzchniowego najczęściej wykonuje się metodą wiszącej kropli. Ciecz tworzy kroplę na końcu igły, a kamera rejestruje jej kształt. Oprogramowanie analizuje obraz i na podstawie stopnia odkształcenia kropli oblicza wartość napięcia powierzchniowego.
2. Na czym polega metoda kropli osadzonej?
Metoda kropli osadzonej polega na umieszczeniu niewielkiej kropli cieczy na powierzchni badanego materiału. Kamera rejestruje jej profil, a oprogramowanie wyznacza kąt zwilżania, analizując miejsce styku cieczy z podłożem. Wynik pozwala ocenić właściwości powierzchni próbki.
3. Jak przebiega pomiar napięcia międzyfazowego?
Pomiar napięcia międzyfazowego wykorzystuje analizę kształtu kropli znajdującej się na granicy dwóch niemieszających się cieczy. Program oblicza wartość napięcia międzyfazowego na podstawie obrazu oraz modelu matematycznego opisującego równowagę sił działających na kroplę. Inną metodą wyznaczania napięcie powierzchniowego między fazą gazową i cieczą jest pomiar uwięzionego pęcherzyka.
Źródła:
1. Bieliński, D., Lipiński, P., Wolska, B., & Jagielski, J. (2006). Porównanie metod oznaczania statycznego kąta zwilżania powierzchni cieczą małocząsteczkową. Problemy Eksploatacji, 1, 131–144.