Realizzazione e caratteristiche tecniche di uno strumento per la misura dell’angolo di contatto

A seguito dell’attività bibliografica effettuata, è stato riscontrato che la teoria energetica rappresenta uno strumento valido per caratterizzare dal punto di vista chimico-fisico le superfici dei materiale ed analizzare i fenomeni adesivi. Tra le differenti tecniche di caratterizzazione che si basano su questa teoria, è stato visto che la misura dell’angolo di contatto rappresenta quella più promettente, affidabile e ripetibile, di conseguenza è nata l’esigenza di sviluppare uno strumento che consentisse di effettuare questo tipo di misure. Attraverso una analisi bibliografica dei principali sistemi presenti, sia come brevetti sia in commercio, sono stati identificati i requisiti necessari che deve possedere tale strumento; successivamente è stato progettato e realizzato uno strumento per la misura dell’angolo di contatto il cui schema e rappresentazione sono riportati in Figura II.1.

(b) (c)

Figura II.1 Strumento per la misura dell’angolo di contatto per valutare la bagnabilità e l’energia superficiale

Le principali caratteristiche tecniche dello strumento sono:

 stage portacampioni con tre gradi di libertà (x,y,z) con precisione micrometrica;  siringhe per iniezione di liquidi da 10 µl (Hamilton) e micropipetta di precisione;  Percorso ottico costituito da:

 luce alogena fredda da 30W ad intensità variabile;

 polarizzatore lineare da 1’ (Hama) montato su portalenti Thorlabs tiltabile;

 analizzatore lineare da 1’ (Hama) montato su portalenti Thorlabs tiltabile;

 diffusore di vetro smerigliato da 1’ (Thorlabs) montato su supporto fisso.  Obbiettivo NAVITAR 24X

 Camera digitale Nikon DSFI-1 (2560x1920 pixel)

 Camera di contenimento dello strumento con chiusura ermetica dotata di filtro autoassemblato con carboni attivi per l’assorbimento delle sostanze gassose prodotte dall’evaporazione dei liquidi (Figura II.1).

Inoltre con lo strumento è stato dotato di una procedura software nella quale sono riportati tutti i modelli descritti nel paragrafo I.3 che consentono di ricavare in modo del tutto automatico i valori di energia superficiale totale, le componenti polari e disperse e le frazioni acido/base attraverso l’inserimento dei valori di angolo di contatto dei diversi liquidi che vengono appoggiati sulla superficie da analizzare (metodo Sessile Drop). Lo strumento e la procedura di analisi consentono di effettuare misure di tensione superficiale secondo il metodo Pendant Drop descritto nel paragrafo I.2.

Questa procedura è costituita da una schermata iniziale (Figura II.2 a) nella quale sono riportate delle tabelle vuote, riferite ai liquidi abitualmente impiegati, all’interno delle quali viene inserito il valore di angolo di contatto. Nella parte destra della schermata sono caricati anche tutti valori di tensione superficiale dei liquidi. Tali valori sono noti e presenti in letteratura.

Una volta inseriti i valori degli angoli, nelle pagine successive sono riportati i differenti modelli con le relative regressioni e i risultati ottenuti (Figura II.2 a e b).

(a)

(c)

Figura II.2 (a) schermata di inserimento dati (angoli di contatto dei liquidi impiegati) e valori di riferimento delle tensioni superficiali dei liquidi usati. (b) schermata relativa al calcolo automatico

dell’energia superficiale secondo il modello di Van Oss-Chadhury-Good. (c) schermata relativa al calcolo automatico dell’energia superficiale secondo il modello di Owens-Wendt.

Questo strumento permette anche di effettuare analisi sul grado di pulizia della superficie, stabilire l’ eterogeneità di composizione e la rugosità superficiale attraverso la misura dell’angolo di contatto avanzante e retrocedente.

Di seguito viene descritta la tipica procedura di analisi da effettuare con questo strumento di caratterizzazione.

Una volta posizionato il provino sul portacampione, le gocce vengono depositate singolarmente attraverso una micropipetta di precisione.

Esse devono avere una dimensione compresa tra 0.2 e 5 microlitri, per volumi superiori non sarebbe possibile trascurare l’effetto della gravità sulla forma della goccia (Figura II.13).

(a) (b)

Figura II.3 (a) per gocce di volume inferiore a 5 µl può essere trascurato l’effetto della gravità. (b) per gocce superiori a 5 µl la gravità non può essere trascurata poiché è particolarmente pronunciata

Inoltre, per non alterare le misure, le gocce devono essere depositate su superfici non cariche elettricamente. È stato dimostrato infatti che, incrementando il valore di carica elettrostatica, l’angolo di contatto diminuisce da 3° a 6°.

Al fine di verificare la ripetibilità della misura, per ogni liquido devono essere depositate almeno sei gocce.

Oltre al valore dell’energia superficiale e della pulizia della superficie, altri fattori che possono influenzare la misura sono: l’eterogeneità della superficie, la preparazione della superficie, la rugosità e la temperatura. Quest’ultimo fattore è trascurabile nelle misure di angolo di contatto (all’interno del range di 10-60 °C) poiché si ha una variazione non significativa:

L’acquisizione delle immagini avviene attraverso il software NIS ELEMENT prodotto dalla NIKON; le immagini vengono successivamente elaborate tramite un software di analisi di immagine ANALYSIS Pro fornito dalla Soft Imaging System. Per mezzo di questo software è stata sviluppata una procedura di elaborazione delle immagini in grado di ottenere misure affidabili e ripetibili, con incertezza nella misura molto contenuta. In particolare, all’immagine originale (Figura II.4), acquisita con la telecamera, viene applicato un filtro per massimizzare il contrasto (fase 1), successivamente viene effettuata (fase 2) la separazione dei colori nei toni del grigio (del verde, da 24 a 8 bit); sull’immagine viene scelta la soglia di luminosità (fase 3) e successivamente si effettua una binarizzazione B/N (fase 4). A questo punto può essere effettuata la misura dell’ angolo di contatto e applicata la scala (fase 5).

fase 1 fase 2

fase 3 fase 4

fase 5 fase 5

Figura II.4 Descrizione del processo di analisi di immagine effettuato sulle micrografie delle gocce realizzate.

Una volta effettuate le misure sulle gocce di tutti i liquidi, i valori di angolo di contatto vengono inseriti all’interno della procedura software che calcola in modo automatico i valori di bagnabilità, energia superficiale e tensione superficiale.

Possibili variazioni nella misura del valore dell’energia superficiale, rispetto al valore atteso, possono essere causate da più fattori che sostanzialmente possono essere divisi in quattro gruppi:

1. errore della misura dell’angolo di contatto (rugosità, eterogeneità, valutazione errata dell’angolo);

2. variabilità della quantità del liquido selezionato;

3. errato valore della tensione superficiale e delle sue componenti dei diversi liquidi presi in letteratura;

4. impiego di differenti modelli matematici che mettono in relazione l’angolo di contatto all’energia superficiale con differenti ipotesi di base.

Va puntualizzato che l’errore 1 è stato ridotto al minimo attraverso la procedura di analisi dell’immagine messa a punto.

Ovviamente la rugosità e l’eterogeneità dipendono da come è stato fabbricato il campione e da come sono stati preparati i provini (eventuale modifica superficiale tramite carteggiatura o trattamenti chimici e fisici).

La variabilità (errore 2) è stata ridotta al minimo mediante l’utilizzo di una micropipetta di precisione (marca Discovery).

L’errore 3 è controllato, in quanto sono stati presi dalla letteratura i valori delle tensioni superficiali dei liquidi misurati sperimentalmente da Van Oss – Chaudhubury – Good [1]. Tali valori vengono di solito utilizzati nella maggior parte delle pubblicazioni internazionali relative a questo argomento.

Infine per quanto riguarda l’errore 4 va preso in considerazione in quanto dipende solo dalle diverse relazioni utilizzate nei differenti modelli.