接觸角

接觸角

重點摘要

• 液滴與表面所形成的角度，是潤濕性的直接定量指標。
• 角度小代表潤濕良好。低於約 30° 為潤濕良好；高於 90° 則表面實際上不潤濕。
• 使用多種測試液體可區分極性與色散成分，這能說明表面為什麼無法黏接。
• 在達因筆結果可能受到質疑之處，這是站得住腳的方法。

接觸角

接觸角是液滴與固體表面相接處所形成的角度，從接觸點穿過液體量測，可直接定量該液體對該固體的潤濕程度。在塑膠上，它是評估表面能與前處理成效的參考方法。

此角度取決於液體內聚力與液固之間附著力的平衡：內聚力將液滴拉成球形，附著力則將其拉平。當附著力佔主導時，液滴鋪展，角度小；當內聚力佔主導時，液滴呈珠狀，角度大。

解讀數值

由於水具有極性，在應已處理的零件上量得高水接觸角，是前處理失敗或矽氧烷污染最快速的指標之一。

量測如何進行

標準的實驗室技術是座滴法：將定量體積的液滴置於表面，以側面成像，並在三相接觸線處量測角度。以下幾點決定結果是否具有意義：

• 液滴體積必須一致，通常為數微升。較大的液滴會因自身重量而變扁，讀值偏低。
• 快速量測。蒸發與緩慢鋪展都會在某些表面上於數秒內改變角度，因此時間慣例至關重要，並應載明。
• 量測多個點。表面處理、紋理與污染在同一零件上各處不同；單一液滴只是個案。
• 表面粗糙度會放大效應。粗糙表面會放大底層化學特性的作用——使潤濕的表面更易潤濕，使不潤濕的表面更加排斥。應在相同紋理下進行比較。
• 前進角與後退角不同。兩者之間的差距，即遲滯現象，本身就具有資訊價值，往往顯示表面不均勻或有污染。

區分極性與色散成分

使用單一液體量測得到的是潤濕性。使用兩種或以上已知且極性不同的液體量測，可將表面能解析為極性與色散成分，這正是診斷價值所在：

• 色散成分來自凡得瓦力，存在於每一個表面。
• 極性成分來自前處理接枝上去的含氧基團。聚合物經處理時此部分會上升，並隨處理效果衰退而再次下降。
• 為何重要：兩個表面可能顯示相同的總表面能，卻一個黏接良好、另一個不然，因為依賴極性交互作用的黏著劑特別需要極性成分。單看總數值可能掩蓋這一點。

常見的搭配是水與二碘甲烷，水提供極性貢獻，二碘甲烷則基本上為非極性。存在多種計算模型，因此所用的模型應與結果一併記錄。

接觸角與達因測試的比較

兩者是互補而非競爭的關係。多數工廠可行的安排是：以接觸角建立要求並解決爭議，再以符合 ASTM D2578 的潤濕張力溶液進行日常監控。

接觸角結果疑難排解

相關術語與延伸閱讀

• ASTM D3359 膠帶測試
• 表面能
• 解決塑膠附著問題的科學
• 塗層與油墨附著力及耐磨耐久性的量測
• 聚合物表面前處理方法

在生產中的應用

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常見問題

接觸角達到多少代表表面已可黏接？

作為粗略的參考，水接觸角低於約 60° 表示潤濕性尚可，低於 30° 則代表表面處理良好，而高於 90° 則表面實際上不潤濕。不過，真正有意義的門檻是針對所用特定黏著劑或油墨所建立的——通用的角度目標與通用的達因目標一樣不可靠。

接觸角與達因筆測試有何不同？

接觸角由儀器根據液滴影像量測，給出連續的定量數值；達因筆則仰賴操作人員判斷墨膜是否能維持約兩秒，僅給出區間式的合格／不合格。接觸角還能區分表面能的極性與色散成分，這是達因測試做不到的。日常監控使用達因溶液，當數值必須有據可辯時再使用接觸角。

為什麼要用多種測試液體量測？

因為這樣可將表面能的極性成分與色散成分分離。兩個表面可能顯示相同的總能量，卻只有一個能良好黏接，因為依賴極性交互作用的黏著劑特別需要極性成分。前處理主要提升的正是極性成分，因此追蹤它，就能分辨真正處理過的表面，與僅讀值看似可接受的表面。

表面粗糙度會影響讀值嗎？

影響很大。粗糙度會放大底層化學特性，使可潤濕的表面更易潤濕，使不可潤濕的表面排斥更強，因此化學成分相同的紋理零件與拋光零件會給出不同角度。應在相同條件下比較，並謹慎將在平滑試片上得出的門檻套用到有紋理的量產表面。

已處理的零件出現意外偏高的角度，原因是什麼？

通常是處理失敗或矽氧烷污染，兩者可由分布模式區分——處理失敗往往影響整個零件或整批，而污染則常呈斑塊狀。由於水具有極性，其接觸角對前處理所添加、而矽氧烷所遮蔽的基團極為敏感，這使水滴成為最快速的診斷檢查之一。

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