ISO 19403-72024 油漆和清漆润湿性第7部分倾斜台上动态接触角和滚下角的测量标准立项发展报告

ISO19403-7:2024《油漆和清漆润湿性第7部分：倾斜台上动态接触角和滚下角的测量》标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:PaintsandVarnishes—Wettability—Part7:MeasurementoftheDynamicContactAnglesandtheRoll-offAngleonaTiltStage摘要随着高性能涂料、自清洁表面、防污涂层及功能性薄膜材料在航空航天、汽车制造、建筑装饰和电子器件等领域的广泛应用，表面润湿行为的精确表征已成为材料科学、界面化学及涂层工程领域的关键共性技术需求。动态接触角和滚下角作为评价固体表面润湿性、涂层均匀性及液滴动态行为的重要参数，对于涂料配方设计、质量控制和性能预测具有不可替代的作用。然而，长期以来国际上缺乏统一的倾斜台法动态润湿性测量标准，导致不同实验室之间测试结果可比性差，制约了技术交流和贸易合作。在此背景下，国际标准化组织（ISO）正式发布ISO19403-7:2024《油漆和清漆润湿性第7部分：倾斜台上动态接触角和滚下角的测量》。本标准作为ISO19403系列标准的重要组成部分，系统规定了倾斜台法测量动态接触角和滚下角的术语定义、测试原理、仪器要求、试样制备、试验步骤、数据处理及结果报告等内容，填补了动态润湿性倾斜台测量方法国际标准的空白。本报告全面梳理了该标准的立项背景、编制过程、核心技术内容和预期应用价值，旨在为相关行业技术人员和管理人员提供系统的标准解读和实施指导，促进该标准在我国涂料及相关行业的推广应用，并为我国实质性参与国际标准化活动提供参考。关键词：油漆和清漆；润湿性；动态接触角；滚下角；倾斜台；ISO19403；国际标准Keywords:paintsandvarnishes;wettability;dynamiccontactangle;roll-offangle;tiltstage;ISO19403;internationalstandard一、引言1.1研究背景润湿性是固体材料表面最基本的物化特性之一，直接决定了液体在固体表面的铺展、渗透和附着行为。在涂料工业中，润湿性不仅影响着涂料在基材表面的流平性和附着力，还关系到涂层最终的防护性能、光学性能和自清洁功能。随着功能性涂料（如超疏水涂料、防冰涂料、自修复涂料等）的快速发展，对表面润湿行为的精确表征提出了更高的要求。接触角是衡量润湿性最常用的定量指标。根据测试条件的不同，接触角可分为静态接触角和动态接触角。静态接触角仅反映液滴在固体表面处于热力学平衡状态时的润湿程度，而实际应用场景中，液滴往往处于动态过程——如倾斜表面上的流动、振动环境中的位移等。动态接触角，包括前进角和后退角，能够更全面地描述液滴在固体表面的移动和形变行为。滚下角则表征液滴在倾斜表面上开始滚动时的临界倾斜角，是评价超疏水表面自清洁性能的关键参数。1.2标准立项的必要性长期以来，动态接触角和滚下角的测量在全球范围内缺乏统一的国际标准。不同制造商生产的接触角测量仪在倾斜机构设计、图像采集方式、液滴体积控制及数据处理算法等方面存在显著差异，各实验室往往依据内部操作规程进行测试，导致测试结果缺乏可比性。这一现状严重制约了涂料产品的质量评价和国际贸易中的技术互认。在此背景下，ISO/TC35（色漆和清漆技术委员会）于2015年前后启动了润湿性系列标准的系统制定工作。在已发布的ISO19403系列标准中，前几部分已规定了通过测量接触角测定固体表面自由能的方法，而第7部分专门针对倾斜台上动态接触角和滚下角的测量方法进行规范，填补了动态润湿性测试方法的空白。ISO19403-7:2024的发布，是润湿性测量国际标准化体系的重要补充和完善。1.3标准编制过程概要ISO19403-7:2024由ISO/TC35色漆和清漆技术委员会归口管理。该标准的制定过程遵循ISO标准开发的既定程序，历经建议阶段（NWIP）、准备阶段（WD）、委员会阶段（CD）、询问阶段（DIS）、批准阶段（FDIS）和出版阶段等多个关键节点。来自德国、中国、美国、日本、法国等多个国家的专家参与了标准的研讨和起草工作。在各阶段中，各国代表团就液滴体积的选定、倾斜速率的控制、图像采集频率、环境条件控制等关键技术参数进行了深入讨论，最终形成了各方广泛认可的共识性文本。标准于2024年10月18日正式发布。二、标准范围与核心术语2.1标准适用范围ISO19403-7:2024规定了使用倾斜台装置测量油漆和清漆及相关材料表面上动态接触角（前进角和后退角）以及滚下角的试验方法。该方法适用于表面平坦的固体涂层试板，也扩展适用于其他适当制备的固体表面。标准明确给出了测量过程中的关键参数，包括液滴体积的推荐范围、倾斜速度的设置要求以及环境温湿度的控制条件。该标准适用于基材上涂层表面的润湿性测试，同样可应用于未涂装的基材表面（如金属、玻璃、塑料等），前提是试样的尺寸和平整度满足测试要求。需要指出的是，该方法主要适用于静态或准静态条件下的动态润湿性评估，对于高速液滴冲击等极端动态过程的表征不在此标准范围内。2.2核心术语定义标准中对以下关键术语进行了明确定义：-前进角（Advancingangle）：液滴在固体表面膨胀（三相接触线向前推进）时测得的最大接触角，反映了固体表面低能区域的润湿特性。-后退角（Recedingangle）：液滴在固体表面收缩（三相接触线向后退缩）时测得的最小接触角，反映了固体表面高能区域或液滴与表面间相互作用力的特征。-接触角滞后（Contactanglehysteresis）：前进角与后退角之差值（Δθ=θ_adv−θ_rec），是评价表面化学不均匀性和粗糙度对润湿行为影响的重要参数。-滚下角（Roll-offangle）：将液滴置于水平表面上，逐渐倾斜表面直至液滴开始移动（滚动或滑动）时的临界角度，常用符号α表示。-倾斜台（Tiltstage）：可精确控制倾斜角度的试样平台，是动态接触角和滚下角测量的核心装置。上述术语的定义与国际表面科学领域的通用概念保持一致，为不同国家和地区的研究人员和工程技术人员提供了统一的交流语言。三、测试原理与方法3.1测试原理ISO19403-7:2024所规定的测试方法基于倾斜台原理。将规定体积的液滴（通常为去离子水或规定组成的测试液体）置于水平放置的涂层试样表面，然后以设定速率逐渐倾斜试样台。在倾斜过程中，液滴因重力作用发生形变，液滴的前沿（下坡侧）和后沿（上坡侧）分别表现出前进和后退行为。当倾斜角达到某一临界值时，液滴开始沿表面移动（滚动或滑动），此时的倾斜角即为滚下角。在倾斜过程中，通过高分辨率相机连续记录液滴侧视图像，并在液滴即将移动前捕捉关键时刻的图像，分别测量液滴两侧的接触角，即可获得前进角和后退角。该方法的关键优势在于：其一，在同一测试过程中同步获取前进角、后退角和滚下角三个参数，测试效率高；其二，倾斜过程模拟了实际应用中液滴在倾斜表面上的动态行为，结果更具实际参考价值；其三，测试条件易于标准化，不同实验室之间的可比性好。3.2仪器要求标准对测试仪器提出了明确的技术要求，主要包括以下几个方面：倾斜台系统：倾斜台应能够从水平位置（0°）连续倾斜至至少90°，倾斜角度的控制精度应不低于±0.1°，倾斜速率应可调节并控制在（1±0.2）°/s范围内。倾斜台应具有足够的刚性，以保证倾斜过程中无振动和回弹。加液系统：应配备精密微量注射器或自动加液系统，能够精确控制液滴体积。标准推荐液滴体积为5μL至10μL，体积控制精度应不低于±0.1μL。注射器针头的外径应适当，以确保液滴能够顺利脱离针头。图像采集系统：应配备高分辨率数字相机和合适的光学镜头，能够清晰捕捉液滴轮廓。推荐相机分辨率不低于1280×1024像素，图像采集速率不低于30帧/秒。照明系统应提供均匀、无反射的背景光，以保证液滴轮廓的清晰辨识。数据处理系统：应配备专用软件，能够自动识别液滴轮廓并计算接触角。软件应能区分前进角和后退角，并记录液滴开始移动时的倾斜角。对于轮廓拟合方法（如θ/2法、椭圆拟合法等），软件应提供适当的选项。3.3试样制备与试验条件标准规定了严格的试样制备和试验条件控制要求：试样制备：涂层应按规定的工艺涂覆于平整基材上，涂层厚度应均匀且符合产品技术要求。试样尺寸应不小于50mm×50mm，表面应无气泡、缩孔、流挂等明显缺陷。测试区域应平整，表面粗糙度应已知或进行记录。在测试前，试样应在标准环境条件（如（23±2）℃，相对湿度（50±5）%）下调理不少于24小时。测试液体：标准推荐使用去离子水或超纯水作为标准测试液体，水的电阻率应不低于18MΩ·cm。如需使用其他测试液体（如二碘甲烷、乙二醇等），应在试验报告中明确注明。环境条件：测试应在（23±2）℃温度、（50±5）%相对湿度的标准环境下进行，或依据相关产品标准的规定执行。环境条件的变化可能对接触角测量结果产生显著影响，因此需严格控制。四、试验步骤与数据处理4.1试验步骤根据标准规定，试验过程应遵循以下步骤：1.仪器校准：每次测试前应对仪器进行校准。使用已知表面能的参考材料验证仪器的准确性，并检查液滴体积的准确性。2.试样安装：将制备好的试样牢固地固定在倾斜台上，确保试样表面水平（倾斜台处于0°位置时）。3.液滴施加：通过加液系统在试样表面施加规定体积的液滴。液滴应完整地从针头脱落，避免产生卫星液滴。加液后等待15~30秒，使液滴达到平衡状态。4.倾斜台倾斜：以（1±0.2）°/s的速率开始倾斜。在倾斜过程中，同步开启图像采集系统，连续记录液滴的侧视图像。5.动态接触角测量：在液滴即将开始移动前（一般为倾斜角接近滚下角时），捕捉液滴图像，测量液滴两侧的接触角。靠近倾斜面上坡侧的角度为后退角，靠近下坡侧的角度为前进角。为确保数据可靠性，建议在液滴即将移动前连续采集至少3帧图像，取平均值作为测量结果。6.滚下角测量：当液滴开始移动时，记录此时的倾斜台角度，即为滚下角。7.重复试验：在试样表面不同位置至少进行5次平行测试，各测试点之间应保持足够的距离，避免相互影响。4.2数据处理与结果表示标准要求对测量数据进行统计分析。对于多次重复测量，应报告算术平均值和标准偏差。接触角的测量精度应报告至小数点后一位，滚下角的精度应报告至0.1°。在计算接触角滞后时，应采用相应配对的动态接触角差值。结果报告中应包含以下核心信息：试样的完整描述（基材类型、涂料品种、涂覆工艺、涂层厚度等）、测试液体的类型和体积、环境温湿度条件、测量次数、各项测量结果的平均值和标准偏差、液滴移动模式（滚动或滑动）、任何偏离标准规定的试验条件或操作的说明。此外，若检测过程中出现液滴在倾斜过程中发生明显形变、钉扎不稳或脱落异常等现象，应在结果报告中进行备注说明。4.3精密度与偏差标准在规范性附录中给出了实验室间比对试验的结果。比对试验由多个国家的实验室共同参与，选用系列具有不同润湿性能的涂层样品进行测试。结果表明：-前进角和后退角的重复性标准偏差（同一实验室内）分别约为2°和3°；-再现性标准偏差（实验室间）分别约为4°和6°；-滚下角的重复性标准偏差约为1°，再现性标准偏差约为2.5°。需要指出的是，精密度的数值与测试表面的均匀性和液滴体积控制密切相关。试验样品的表面化学不均匀性越大，测试结果的离散性越高。因此，在实际检验和质量控制中，应结合具体样品特性设定合理的公差范围。五、标准的技术特点与创新点5.1首次建立倾斜台法国际统一测试规程ISO19403-7:2024作为国际上首个针对倾斜台上动态接触角和滚下角测量的规范性标准，其发布填补了这一领域的标准化空白。标准统一了测试参数设置、数据采集方式和结果处理方法，使不同实验室之间的测试结果具有可比性，为涂料行业的国际贸易和技术交流提供了共同的技术语言。5.2同步获取多参数的综合表征方法该标准的一大创新在于通过单一测试流程同步获取前进角、后退角、接触角滞后和滚下角多个关键参数，避免了对不同参数的分别测试，减少了因试验批次差异引入的系统误差，使各参数间的对应关系更为清晰，数据处理更为科学高效。这一设计为涂层表面性能的全面表征提供了更为高效、科学的测试方案，尤其适用于评估具有梯度润湿性、异质化学组成或微纳复合结构的表面。5.3科学严谨的参数设定标准在充分吸纳学术界关于润湿动力学研究成果的基础上，对各关键参数进行了科学的规范。液滴体积的推荐范围（5~10μL）是在保证重力效应充分和表面张力效应显著的平衡点上确定的；倾斜速率（1°/s）的设定则避免了过快倾斜导致液滴动态滞后、过慢倾斜降低测试效率的弊端。接触角滞后的计算要求在相同条件下比较配对的动态接触角，符合物理意义的严格定义。5.4与ISO19403系列标准的有机衔接ISO19403-7:2024与ISO19403系列的其他部分形成了完整的润湿性测试标准体系。其中，ISO19403-1规定了润湿性和接触角测量的通则，ISO19403-2规定了表面张力的测量方法，ISO19403-3至第6部分分别涉及不同接触角测量方法。本标准的发布完善了该体系中动态润湿性测量的薄弱环节，形成了从静态到动态、从单一参数到多参数协同表征的完整标准矩阵。六、主要起草单位介绍6.1德国联邦材料研究与测试研究所（BAM）德国联邦材料研究与测试研究所（BundesanstaltfürMaterialforschungund-prüfung,BAM）是ISO19403-7:2024的主要起草单位之一，该所表面分析技术专家主导了本标准的制定工作。BAM是德国联邦经济和气候保护部下属的科技机构，成立于1871年，拥有超过1600名科学家和技术人员，在材料科学、化学分析、无损检测及标准化领域享有盛誉。BAM的核心使命是提升材料、化学物质及技术的安全性、可靠性和可持续性。在润湿性与表面科学领域，BAM的6.7"表面分析技术"部门数十年来持续开展系统性的基础研究和方法学开发工作，在接触角测量技术、表面自由能计算模型和润湿性标准物质研制等方面积累了深厚的技术储备。该部门长期承担着德国标准化协会（DIN）中涂料与颜料标准化委员会相关分技术委员会的秘书处工作，深度参与ISO/TC35色漆和清漆技术委员会的标准化活动。在ISO19403-7:2024的制定过程中，BAM牵头组织了多项实验室间比对试验，为确定标准的精密度数据提供了关键实验支撑。BAM团队开发了专门用于倾斜台法接触角测量的图像分析算法，有效提高了液滴轮廓识别的精度和自动化水平。此外，BAM还研发出具有梯度润湿性的参考标准样品，为仪器校准和实验室能力验证提供了物质基础，相关成果已在多个国际合作项目中得到验证和应用。6.2国内参与单位背景在中国，全国涂料和颜料标准化技术委员会（SAC/TC5）作为ISO/TC35的国内技术对口单位，组织国内相关科研院所和企业参与了本标准的制定工作。来自中海油常州涂料化工研究院有限公司、复旦大学、华南理工大学等单位的专家结合国内涂