【解决方案】超亲水多孔材料本征润湿性定量表征：光学座滴法局限性与虚数接触角适配方案

关键词：超亲水多孔材料；润湿性；座滴接触角；Wilhelmy 法；虚数接触角；毛细渗透

摘要：

         钛基纳米管种植体、多孔骨修复支架、亲水分离膜、医用吸水水凝胶等多孔材料经阳极氧化、等离子体接枝改性后呈现超亲水特性，其界面润湿性直接决定生物相容性、毛细渗透效率与界面作用性能。传统高速光学接触角仪（座滴法）是测量固体材料润湿动力学的常规手段，但在高孔隙超亲水基材体系中存在固有问题：液滴接触样品后毫秒级瞬时铺展并渗入孔隙，即便搭载高速 CCD 相机也难以完整捕捉三相接触线演化全过程，无法构建完整连续的接触角-时间演化曲线和接触角差异，从而掩盖不同工艺、孔隙结构带来的本征润湿性差异。经典杨氏方程仅适用于 COSƟ∈[-1,1]  的平衡润湿体系，而粗糙多孔超亲水界面毛细力显著提升固-液润湿作用，等效 cosθ＞1，超出经典杨氏方程定量范围。针对该表征瓶颈，本文系统阐述德国德飞公司 DCAT 动态草莓视频下载安装无限采用 Wilhelmy 片法虚数接触角表征原理：通过高精度天平采集样品浸/拉全过程动态润湿力，依托复数算法解析 cosθ＞1 的强润湿信号，输出具备横向数据对比性的前进虚数接触角Ɵi，实现超亲水多孔材料润湿性梯度精准量化。本文对比两类表征技术的适用边界、测量误差来源与数据有效性，明确采用 DCAT 的虚数接触角测量为超亲水多孔基材本征润湿性定量分级的优选方案，为生物医用多孔材料改性效果评价、产品质控及界面机理研究提供标准化表征依据。

1、引言

超亲多孔功能材料广泛应用于口腔种植体、冠脉金属支架、组织工程多孔支架、水处理分离膜、高吸水敷料、锂电池电极等领域。通过调控表面化学官能团、孔隙孔径与表面粗糙度可实现润湿性梯度调控，进而改善细胞黏附、骨整合、液体通量等核心应用性能。界面润湿性定量表征是解析改性机理、建立产线质控标准的必要实验手段。

现阶段主流表征手段分为两类：光学接触角仪（座滴高速摄像法）、动态接触角仪（Wilhelmy 片法）。大量实验证实，对于具备强毛细吸水效应的超亲水多孔基材，高速光学法存在不可规避的测量误差问题，核心局限分为两点：

1.1 瞬态铺展导致时序图像缺失：超亲水多孔表面毛细驱动力远大于液滴表面张力，液滴接触基材后数毫秒内完全铺展并渗入内部孔隙。尽管光学接触角仪搭载高速 CCD 模块（> 4000 frame/s），水滴完整吸收铺展速度仍短于仪器有效图像采集时序，无法全过程连续捕捉三相接触线位移、液滴体积衰减过程，难以生成连续、可定量的接触角-时间动力学曲线，丢失很多动态润湿信息。

1.2 表观接触角同质化，无区分能力：受孔隙毛细增强润湿作用影响及杨氏方程适用区间限制，光学算法对所有超亲水改性样品光学测试结果均为 0° 表观接触角，

经典杨氏润湿方程：

式中 γsv  、γsl 、γlv 分别为固-气、固-液、液-气界面张力；Ɵ为本征平衡接触角；理论上COSƟ 取值范围严格限定 [-1,1]，对应接触角 0°~180°。

粗糙多孔超亲水表面存在多级毛细通道，毛细附加力大幅提升固液界面亲和作用，体系等效润湿力满足 COSƟ>1，超出杨氏方程适用区间。光学接触角统一判定表观接触角为 0°，无法有效区分不同样品间润湿性梯度差异，对于不同等离子处理参数、阳极氧化时间、涂层接枝密度带来的本征润湿性差异被完全抹平。即便体外细胞实验、体内植入性能存在显著区别，光学法仍难以提供量化对比指标，制约论文数据支撑与工业化质控体系搭建。

基于上述技术问题，本文重点阐明DCAT动态接触角仪虚数接触角技术的测量原理、数据解析逻辑与适用范围，厘清光学法的适用边界，建立超亲水多孔材料润湿性定量表征的优选方案，为极端润湿多孔材料界面表征提供理论与实验参考。

2、 DCAT 动态接触角仪虚数接触角Ɵi：超亲水多孔材料本征润湿性定量表征

2.1 Wilhelmy 片法测量基础原理

DCAT25 动态接触角仪依托高精度微天平采集样品垂直浸入、拉出测试液体全过程的动态润湿力，Wilhelmy 基础润湿力公式：

式中F为天平测得总作用力；L为样品润湿周长；G为样品自重；B为浮力。通过消除自重与浮力干扰，可分离纯润湿力信号，用于计算接触角。

该方法为力基表征，无需观测液滴轮廓、不依赖三相接触线光学拟合，从底层规避光学法图像采集、轮廓识别带来的全部误差，适配多孔、粗糙、超亲水复杂界面。

2.2 虚数接触角解析算法解决 COSƟ>1 定量难题

针对超亲水多孔基材 COSƟ>1 超出杨氏方程实数域的问题，DCAT内置复数解析算法对动态润湿力曲线进行处理，引入虚数接触角（Virtual Contact Angle） 专门适用于表征具有极端润湿强度的超亲水样品：

2.2.1   采集完整水滴浸液前进段润湿力-位移曲线，见下图A黑色线（Wihelmy Trace）;

图A，超亲水材料与水动态接触角测量，完整水滴浸液前进段润湿力-位移曲线

2.2.2   分离毛细附加力与本征固-液润湿作用力，修正由多孔孔隙造成的毛细增强效应；对于超亲材料，DCAT 的精密天平在水润湿的过程中不仅检测常规的Wilhelmy 力 FW，还检测到一个额外的力FΣ，与传统经典公式相比，额外力FΣ的存在导致了cos q > 1。该力由多孔材料表面额外的铺展和毛细管力造成。公式如下：

公式中：P是润湿周长，γ为液体表面张力，k为常数，FW为常规Wilhelmy力，Fimb为水浸润多孔材料表面微凹凸物造成的力。

2.2.3对COSƟ >1的力信号进行复数空间映射，输出具备线性梯度的前进虚数接触角；见下图B，红色线为根据经典公式COSƟ <1时测得FW力并补充COSƟ >1时测得的FΣ力所计算得到的前进接触角。该前进接触角包含了两个部分，实数前进接触角为0°和虚数前进接触角为20.6i。

图A) 和B) 黑线: 原始 Wilhelmy 法天平真实重量测量值。红线：全过程重量变化的接触角值，分别根据经典公式（图A）Ө = arccos(F/Pg) 以及考虑 FW 和 FΣ 力的作用的改进公式（图B）。C) 超亲材料TPS表面润湿速率曲线，遵循真实重量变化，未作cos q ≥ 1时的接触角值0°修正。

2.2.4虚数接触角Ɵi的引入，补充拟合了真实超亲多孔材料水润湿COSƟ >1时力的变化曲线，充分解决了传统光学测量时超亲水材料接触角为0°的问题，虚数接触角Ɵi对不同改性、不同孔隙结构的超亲水样品可获得差异化数值，实现润湿性分级定量。

3、结论

3.1  针对高孔隙超亲水多孔材料，高速光学座滴法存在固有测量不足：由于液滴毛细铺展渗透过程为毫秒级瞬态行为，即便搭载高速 CCD 相机仍难以完整采集三相接触线演化时序，无法构建连续有效的接触角-时间动力学曲线；同时多孔毛细增强润湿效应使体系 COSƟ >1，超出杨氏方程适用区间，光学算法测量得到 0° 表观接触角，丢失不同样品润湿性梯度信息，无法充分满足该类产品润湿性表征需求。

3.2    DCAT动态接触角仪 Wilhelmy 片法是超亲水多孔材料本征润湿性定量表征优选方案：基于力基测量原理，无需依赖液滴光学轮廓拟合，通过复数算法解析 COSƟ >1 的极端润湿力信号，输出线性可区分的虚数接触角 Ɵi，能够精准量化等离子改性、阳极氧化、孔隙结构调控带来的润湿性差异，测试重复性高，适用于基础机理研究与工业化质量控制。

4、 DCAT25 动态接触角仪具备的综合表征功能

DCAT25 动态草莓视频下载安装无限除以上功能外还具有很多表-界面测量功能，核心测试能力包含：环法 / Wilhelmy 片法液体表/界面张力测试；动态前进虚数接触角、固体表面自由能测定；表面活性剂临界胶束浓度（CMC）表征；固-液（气）界面粘附力定量；单丝纤维微滴脱粘力测量（纤维与树脂界面剪切强度）；双液滴或双气泡界面相互作用力测量；槽法界面扩张流变；LB 单分子膜制备与界面性能表征等。