不可濕潤(Non-wettable)粉末的接觸角和吸收過程: 以矽鐵 (FeSi) 粉末為例

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粉末的潤濕性近年來因參數常用於各種領域越來越受到關注，如陶瓷、粘土、藥品、化妝品等。舉例來說，矽鐵 (FeSi) 粉末便時常需要驗證其親疏水性，其可用於生產鋼鐵以及太陽能電池板和電腦晶片的矽。過往，沃什伯恩法(Washburn method)是最常用於分析潤濕行為的方法之一，然而，這種方法只能局限於親水性樣品(即可潤濕且接觸角低於90°的樣品)。

技術及方法

本文中我們使用dataphysics Instruments 光學接觸角和輪廓分析系統OCA 測量 FeSi 粉末，研究不可潤濕性粉末，說明即使是疏水（非潤濕）的粉末（接觸角大於90°）也可以輕鬆分析並且得到可靠的數據。
OCA 結合了高光學分辨率、精確液體滴定系統及樣品定位系統能保證每次測量數據的品質及可再現性。液體滴於固體表面可用於表徵特定的固液組合的潤濕行為，一個可靠且穩健的接觸角測量可以幫助開發表面塗層、複合材料、油漆、清漆乃至於清潔劑。因此，OCA系統可以使您在多種應用領域上進行接觸角測量，此外OCA 系列的系統亦適用於鑑定潤濕性粉末樣品。

實驗設計

在本研究中，我們使用了來自dataphysics Instruments OCA系統測試四種矽鐵粉末（A、B、C、D）和蒸餾水的潤濕性和潤濕行為。其中，樣品A、B在此前的研究顯示為疏水且不可濕；樣品C、D則為親水且可濕。
實驗前，為了確保蒸餾水的純淨度和使用針筒是否乾淨，我們先做了預實驗，我們使用了懸滴測量法先驗證蒸餾水的表面張力為72.26 ± 0.32 mN/m，這和文獻中提及的水表面張力十分接近。
進行正式實驗前，我們將粉末樣品放入容器ST-P，ST-P 容器是專門設計用於光學接觸角測量的容器，接著小心地放置於儀器載台上並依照下方流程進行實驗:

使用OCA滴定系統滴擠出3μL的蒸餾水
把載台升高以接觸到針筒滴擠出之蒸餾水
將載台下降，將液滴自針頭脫離
使用OCA系統的自動計算功能算出接觸角度(並同時錄製水被粉末樣品吸收的過程)
重複上述流程兩次以驗證數據再現性

實驗結果

測量完成後的各樣品接觸角如左圖，我們可發現樣品A、B和水的接觸角度大於148°，我們可以此驗證樣品A、B的疏水性質及其不可濕潤的特性（參見下圖ㄧ）；而相較於樣品A、B，樣品C、D則呈現出了親水性質，也就是接近和小於90°的接觸角。受惠於OCA系統高禎數的拍攝系統，我們可以觀察且證明樣品C、D的可濕性，水滴被吸入樣品C、D的過程被完整記錄，我們發現水滴於樣品C的初始接觸角為92°（參見下圖二），而在影片最後偵測到的接觸角則變為15°（參見下圖三），樣品D則為初始接觸角94°，影片最後偵測的接觸角為11°（參見下圖四）。