纤维表面润湿性分析及测量难点与对策

      在纤维研发领域，接触角测量仪是一个至关重要且应用广泛的表征工具。它主要用于评估纤维材料的表面润湿性，而这直接关系到纤维的最终性能和应用。纤维表面的润湿性本质上是由其化学组成和微观结构决定的界面现象。当液体滴落在纤维表面时，形成的接触角大小直接反映了材料表面的亲液性或疏液性。

      一、什么是接触角及评估参数

      接触角是指液滴在固体表面达到平衡时，在气、液、固三相交点处形成的夹角（θ）。

      θ < 90°：表示液体能润湿固体表面，纤维是亲液性的（如棉纤维与水）。

      θ > 90°：表示液体不能润湿固体表面，纤维是疏液性的（如聚酯纤维与水）。

      θ 越大（越接近180°），疏液性越强，疏油性也通常越好。

      根据应用需求，纤维材料可能需要特定的润湿特性。例如，医用缝合线要求适度的亲水性以促进生物相容性，而户外服装纤维则需超疏水性以实现防水功能。纤维表面的润湿性并非恒定不变，它受到多种因素影响：

      表面化学组成：极性基团（如羟基、羧基）的存在会增加对极性液体的亲和性。

      微观几何结构：粗糙度、孔隙结构可放大本征润湿性，实现超疏水或超亲水效果。

      环境条件：温湿度变化会改变界面张力，影响接触角数值。

      而纤维的吸附性与其润湿性紧密相关，但更侧重于液体在纤维集合体内的传输与保持能力。多孔结构纤维（如木棉）的中空腔室或天然转曲（如棉纤维）为液体提供了储存空间和传输通道。

      表面自由能的大小及其极性/色散分量比例是预测纤维吸附行为的关键参数。通过测量纤维与多种已知性质液体的接触角，可以计算出这些参数，进而预测纤维与未知液体的相互作用方式。研究显示，天然纤维素纤维的吸附特性与其微观结构和化学成分密切相关：

      结晶度：低结晶度、大无定形区的纤维（如木棉）更易让液体渗入内部。

      蜡质含量：表面蜡质含量是决定纤维亲油疏水性的重要因素，如香蒲绒纤维的高蜡质含量使其具有优异的疏水性。

      二、测量技术上的挑战与对策

      在测量接触角时，测量单根纤维的接触角比测量平整的薄膜要困难得多，因为：

      1.基底影响：纤维是圆柱形的，液滴放置其上会受到下方支撑基底的影响。

      2.直径细小：单丝直径通常在微米级别，对仪器的光学系统和液滴控制精度要求很高。

      解决方案：

      1.单纤维接触角测量：使用经纬科研型JW20N纳升级接触角测量仪，专门的微型注射器产生极小的液滴（纳升级别），并将其精准地沉积在悬空或平行固定的单根纤维上，通过高倍显微镜和相机记录液滴形状并进行拟合分析。

      2.纤维束或织物接触角测量：虽然不是单根纤维，但将纤维制成纱线或织成布后进行测量，更能反映其宏观应用时的性能，且操作更简便。此时常用座滴法。

      三、面对不同类型的纤维样品，需要选择zui 适合的测量方法

      1.均匀纤维（如碳纤维、玻璃纤维）：推荐使用单纤维张力法测定接触角，这种方法能提供准确可靠的动态润湿数据。

      2.不规则纤维（如天然竹纤维）：采用带有显微镜镜头和皮升计量系统的光学接触角测量仪更为合适，或使用Wilhelmy力学法测量平均润湿周长。

      3.纤维集合体（如纤维束、织物）：可考虑采用修正的Cassie-Baxter模型，将单纤维测量结果与纤维束行为关联起来。

      因此，接触角测量仪是现代纤维科学从经验走向精准、从宏观走向微观不可huo缺的“眼睛"。