Device and strategy for surface energy measurement
Authors:   , Domínguez Álvarez Noemí 
Published: September 2023

In this Ph.D. Thesis, we have developed a new measurement method to measure the contact angle and the surface energy in hydrophobic samples with a device based on confocal technology. This new measurement method incorporates the correction of the effect of the roughness of the surface in the contact angle measurement.
The developed measurement method includes the measurement with the confocal device of the Developed Interfacial Area Ratio (Sdr) of the surface under study as well as several parameters of a liquid drop placed on the surface, such as the height and the apparent diameter of the drop. On the other hand, the developed measurement method also includes three mathematical models to calculate the contact angle from a combination of the height (h) and the apparent diameter (L) of the drop measured by the confocal device, and the volume of the dispensed drop (V) indicated by the liquid dispenser. We have verified the validity of each mathematical model by evaluating the introduced error in the calculation of the contact angle.
A validation study has also been performed by comparing the calculated contact angles by means of the developed mathematical model that uses exclusively the height and the apparent width of the drop measured with the confocal device with the contact angles measured by a current commercial contact angle meter applying the height-width fitting method. This allowed us to verify the developed measurement method to calculate contact angles on different hydrophobic samples.
Furthermore, we have corrected the effect of the surface roughness of a subset of hydrophobic samples on the calculated contact angles according to Wenzel’s model. Our method uses the Sdr parameter measured with the confocal device to calculate the roughness ratio factor required to correct the calculated contact angle with the effect of the roughness.
Finally, by doing the measurement with water and diiodomethane, we have evaluated the total surface energy as well as its dispersive and polar components according to OWRK’s method from the previously corrected contact angles, obtaining accurate surface energy values.
Therefore, we can conclude that the work reported in this Ph.D. Thesis has been able to demonstrate the validity of the developed measurement methodology for evaluating the contact angle and the surface energy on hydrophobic samples with a confocal device. The advantage of this new technique is that it allows to take into account and correct the effect of the roughness in the evaluation of the surface energy, using a single device.
En esta Tesis doctoral hemos desarrollado un nuevo método de medida para medir el ángulo de contacto y la energía superficial en muestras hidrofóbicas con un equipo basado en tecnología confocal. Este nuevo método de medida incorpora la corrección del efecto de la rugosidad de la superficie en la medida del ángulo de contacto. El método de medida desarrollado incluye la medida con el equipo confocal de un parámetro que mide el área real que se está midiendo, por lo que incluye la rugosidad y es conocido como Sdr por sus siglas en inglés, y además diversos parámetros de una gota que es depositada sobre la superficie a medir, tal como son la altura y el diámetro aparente de la gota. Por otro lado, el método de medida desarrollado también incluye tres modelos matemáticos que permiten calcular el ángulo de contacto a partir de la combinación de la altura (h) y el diámetro aparente (L) de la gota medidos con el equipo confocal, y también el volumen de la gota dispensada (V) indicado por el dispensador de líquidos. Hemos verificado la validez de cada uno de los modelos matemáticos mediante la evaluación del error introducido por esto parámetros en el cálculo del ángulo de contacto. También hemos realizado un estudio de validación comparando los ángulos de contacto calculados mediante el modelo matemático que únicamente utiliza h y L medidos con el equipo confocal, con los ángulos de contacto medidos por un medidor de ángulos de contacto comercial que se puede encontrar actualmente en el mercado, aplicando el método de ajuste conocido como altura-anchura (height-width). Esto nos permitió verificar el método de medida desarrollado para calcular ángulos de contacto en diferentes muestras hidrofóbicas. Además, hemos corregido el efecto de la rugosidad de la superficie según el modelo de Wenzel en los ángulos de contacto calculados para un subconjunto de muestras hidrofóbicas. Nuestro método utiliza el parámetro Sdr medido con el equipo confocal para calcular el factor de rugosidad requerido para corregir el efecto de la rugosidad de la superficie en el ángulo de contacto calculado. Finalmente, midiendo con agua y diyodometano, hemos podido evaluar la energía superficial total, así como también sus componentes dispersiva y polar de acuerdo con el método de OWRK a partir de los ángulos de contacto corregidos anteriormente, obteniendo como resultado valores de la energía superficial muy preciosos. Por lo tanto, podemos concluir que con el trabajo presentado en esta Tesis doctoral hemos sido capaces de demostrar la validez del método de medida desarrollado para evaluar el ángulo de contacto y la energía superficial en muestras hidrofóbicas con un equipo confocal. La ventaja de esta nueva técnica es que permite tener en cuenta y corregir el efecto de la rugosidad de una superficie en la evaluación de su energía superficial utilizando un único equipo de medida