【解決方案】超親水多孔材料本征潤濕性定量表征：光學座滴法局限性與虛數接觸角適配方案

關鍵詞：超親水多孔材料；潤濕性；座滴接觸角；Wilhelmy 法；虛數接觸角；毛細滲透

摘要：

         鈦基納米管種植體、多孔骨修復支架、親水分離膜、醫用吸水水凝膠等多孔材料經陽極氧化、等離子體接枝改性后呈現超親水特性，其界面潤濕性直接決定生物相容性、毛細滲透效率與界面作用性能。傳統高速光學接觸角儀（座滴法）是測量固體材料潤濕動力學的常規手段，但在高孔隙超親水基材體系中存在固有問題：液滴接觸樣品后毫秒級瞬時鋪展并滲入孔隙，即便搭載高速 CCD 相機也難以完整捕捉三相接觸線演化全過程，無法構建完整連續的接觸角-時間演化曲線和接觸角差異，從而掩蓋不同工藝、孔隙結構帶來的本征潤濕性差異。經典楊氏方程僅適用于 COS?∈[-1,1]  的平衡潤濕體系，而粗糙多孔超親水界面毛細力顯著提升固-液潤濕作用，等效 cosθ＞1，超出經典楊氏方程定量范圍。針對該表征瓶頸，本文系統闡述德國德飛公司 DCAT 動態張力儀采用 Wilhelmy 片法虛數接觸角表征原理：通過高精度天平采集樣品浸/拉全過程動態潤濕力，依托復數算法解析 cosθ＞1 的強潤濕信號，輸出具備橫向數據對比性的前進虛數接觸角?i，實現超親水多孔材料潤濕性梯度精準量化。本文對比兩類表征技術的適用邊界、測量誤差來源與數據有效性，明確采用 DCAT 的虛數接觸角測量為超親水多孔基材本征潤濕性定量分級的優選方案，為生物醫用多孔材料改性效果評價、產品質控及界面機理研究提供標準化表征依據。

1、引言

超親多孔功能材料廣泛應用于口腔種植體、冠脈金屬支架、組織工程多孔支架、水處理分離膜、高吸水敷料、鋰電池電極等領域。通過調控表面化學官能團、孔隙孔徑與表面粗糙度可實現潤濕性梯度調控，進而改善細胞黏附、骨整合、液體通量等核心應用性能。界面潤濕性定量表征是解析改性機理、建立產線質控標準的必要實驗手段。

現階段主流表征手段分為兩類：光學接觸角儀（座滴高速攝像法）、動態接觸角儀（Wilhelmy 片法）。大量實驗證實，對于具備強毛細吸水效應的超親水多孔基材，高速光學法存在不可規避的測量誤差問題，核心局限分為兩點：

1.1 瞬態鋪展導致時序圖像缺失：超親水多孔表面毛細驅動力遠大于液滴表面張力，液滴接觸基材后數毫秒內完全鋪展并滲入內部孔隙。盡管光學接觸角儀搭載高速 CCD 模塊（> 4000 frame/s），水滴完整吸收鋪展速度仍短于儀器有效圖像采集時序，無法全過程連續捕捉三相接觸線位移、液滴體積衰減過程，難以生成連續、可定量的接觸角-時間動力學曲線，丟失很多動態潤濕信息。

1.2 表觀接觸角同質化，無區分能力：受孔隙毛細增強潤濕作用影響及楊氏方程適用區間限制，光學算法對所有超親水改性樣品光學測試結果均為 0° 表觀接觸角，

經典楊氏潤濕方程：

式中 γsv  、γsl 、γlv 分別為固-氣、固-液、液-氣界面張力；?為本征平衡接觸角；理論上COS? 取值范圍嚴格限定 [-1,1]，對應接觸角 0°~180°。

粗糙多孔超親水表面存在多級毛細通道，毛細附加力大幅提升固液界面親和作用，體系等效潤濕力滿足 COS?>1，超出楊氏方程適用區間。光學接觸角統一判定表觀接觸角為 0°，無法有效區分不同樣品間潤濕性梯度差異，對于不同等離子處理參數、陽極氧化時間、涂層接枝密度帶來的本征潤濕性差異被完全抹平。即便體外細胞實驗、體內植入性能存在顯著區別，光學法仍難以提供量化對比指標，制約論文數據支撐與工業化質控體系搭建。

基于上述技術問題，本文重點闡明DCAT動態接觸角儀虛數接觸角技術的測量原理、數據解析邏輯與適用范圍，厘清光學法的適用邊界，建立超親水多孔材料潤濕性定量表征的優選方案，為極端潤濕多孔材料界面表征提供理論與實驗參考。

2、 DCAT 動態接觸角儀虛數接觸角?i：超親水多孔材料本征潤濕性定量表征

2.1 Wilhelmy 片法測量基礎原理

DCAT25 動態接觸角儀依托高精度微天平采集樣品垂直浸入、拉出測試液體全過程的動態潤濕力，Wilhelmy 基礎潤濕力公式：

式中F為天平測得總作用力；L為樣品潤濕周長；G為樣品自重；B為浮力。通過消除自重與浮力干擾，可分離純潤濕力信號，用于計算接觸角。

該方法為力基表征，無需觀測液滴輪廓、不依賴三相接觸線光學擬合，從底層規避光學法圖像采集、輪廓識別帶來的全部誤差，適配多孔、粗糙、超親水復雜界面。

2.2 虛數接觸角解析算法解決 COS?>1 定量難題

針對超親水多孔基材 COS?>1 超出楊氏方程實數域的問題，DCAT內置復數解析算法對動態潤濕力曲線進行處理，引入虛數接觸角（Virtual Contact Angle） 專門適用于表征具有極端潤濕強度的超親水樣品：

2.2.1   采集完整水滴浸液前進段潤濕力-位移曲線，見下圖A黑色線（Wihelmy Trace）;

圖A，超親水材料與水動態接觸角測量，完整水滴浸液前進段潤濕力-位移曲線

2.2.2   分離毛細附加力與本征固-液潤濕作用力，修正由多孔孔隙造成的毛細增強效應；對于超親材料，DCAT 的精密天平在水潤濕的過程中不僅檢測常規的Wilhelmy 力 FW，還檢測到一個額外的力FΣ，與傳統經典公式相比，額外力FΣ的存在導致了cos q > 1。該力由多孔材料表面額外的鋪展和毛細管力造成。公式如下：

公式中：P是潤濕周長，γ為液體表面張力，k為常數，FW為常規Wilhelmy力，Fimb為水浸潤多孔材料表面微凹凸物造成的力。

2.2.3對COS? >1的力信號進行復數空間映射，輸出具備線性梯度的前進虛數接觸角；見下圖B，紅色線為根據經典公式COS? <1時測得FW力并補充COS? >1時測得的FΣ力所計算得到的前進接觸角。該前進接觸角包含了兩個部分，實數前進接觸角為0°和虛數前進接觸角為20.6i。

圖A) 和B) 黑線: 原始 Wilhelmy 法天平真實重量測量值。紅線：全過程重量變化的接觸角值，分別根據經典公式（圖A）? = arccos(F/Pg) 以及考慮 FW 和 FΣ 力的作用的改進公式（圖B）。C) 超親材料TPS表面潤濕速率曲線，遵循真實重量變化，未作cos q ≥ 1時的接觸角值0°修正。

2.2.4虛數接觸角?i的引入，補充擬合了真實超親多孔材料水潤濕COS? >1時力的變化曲線，充分解決了傳統光學測量時超親水材料接觸角為0°的問題，虛數接觸角?i對不同改性、不同孔隙結構的超親水樣品可獲得差異化數值，實現潤濕性分級定量。

3、結論

3.1  針對高孔隙超親水多孔材料，高速光學座滴法存在固有測量不足：由于液滴毛細鋪展滲透過程為毫秒級瞬態行為，即便搭載高速 CCD 相機仍難以完整采集三相接觸線演化時序，無法構建連續有效的接觸角-時間動力學曲線；同時多孔毛細增強潤濕效應使體系 COS? >1，超出楊氏方程適用區間，光學算法測量得到 0° 表觀接觸角，丟失不同樣品潤濕性梯度信息，無法充分滿足該類產品潤濕性表征需求。

3.2    DCAT動態接觸角儀 Wilhelmy 片法是超親水多孔材料本征潤濕性定量表征優選方案：基于力基測量原理，無需依賴液滴光學輪廓擬合，通過復數算法解析 COS? >1 的極端潤濕力信號，輸出線性可區分的虛數接觸角 ?i，能夠精準量化等離子改性、陽極氧化、孔隙結構調控帶來的潤濕性差異，測試重復性高，適用于基礎機理研究與工業化質量控制。

4、 DCAT25 動態接觸角儀具備的綜合表征功能

DCAT25 動態張力儀除以上功能外還具有很多表-界面測量功能，核心測試能力包含：環法 / Wilhelmy 片法液體表/界面張力測試；動態前進虛數接觸角、固體表面自由能測定；表面活性劑臨界膠束濃度（CMC）表征；固-液（氣）界面粘附力定量；單絲纖維微滴脫粘力測量（纖維與樹脂界面剪切強度）；雙液滴或雙氣泡界面相互作用力測量；槽法界面擴張流變；LB 單分子膜制備與界面性能表征等。