Angolo di contatto: che cos’è e come misurarlo?

L’angolo di contatto, θ (theta), è una misura quantitativa della bagnabilità di un solido da parte di un liquido. Il comportamento di una singola goccia su una superficie ci dice molto sulle proprietà del solido. L’esempio più ovvio è l’applicazione di diversi tipi di rivestimenti e trattamenti superficiali: se l’angolo di contatto tra la vernice e la superficie da dipingere è elevato, questo porterà a una scarsa diffusione e a un rivestimento non uniforme. Gli angoli di contatto possono essere utilizzati anche per verificare se un trattamento superficiale è stato eseguito con successo: il trattamento al plasma viene spesso utilizzato per migliorare l’adesione tra il substrato e il rivestimento da applicare. Un basso angolo di contatto tra il liquido e il substrato trattato indica il successo del trattamento superficiale.

Valori bassi dell’angolo di contatto, cioè inferiore a 90°, si riferiscono a una buona bagnabilità, mentre valori elevati dell’angolo di contatto, superiori a 90°, indicano una scarsa bagnabilità. Quando l’angolo di contatto è di 0°, si dice che la superficie è completamente bagnata. Se il liquido applicato sulla superficie è l’acqua, si usano rispettivamente i termini idrofilo e idrofobo.

L’energia libera superficiale: il passo successivo alla misura dell’angolo di contatto

La misura dell’angolo di contatto non è fine a sé stessa: uno dei suoi utilizzi più potenti è la determinazione dell’energia libera superficiale (SFE, Surface Free Energy) di un solido. L’SFE rappresenta, in sostanza, la “tensione superficiale” di un materiale solido e si esprime in mN/m (equivalente a dyne/cm). Per calcolarla, è sufficiente misurare gli angoli di contatto con almeno due liquidi di riferimento a proprietà note — tipicamente acqua e diiodometano — e applicare modelli matematici consolidati, come il modello OWRK (Owens-Wendt-Rabel-Kaelble) e modello Acido-Base (di van Oss-Chaudhury-Good).

Conoscere l’SFE di un substrato è fondamentale in numerosi processi industriali: dalla scelta del giusto adesivo o primer, alla formulazione di inchiostri e vernici, fino alla valutazione dell’efficacia di trattamenti superficiali come il plasma o la fiamma, comunemente impiegati su materiali polimerici prima della stampa o dell’incollaggio.

Il ruolo della rugosità: i modelli di Wenzel e Cassie-Baxter

Un aspetto spesso sottovalutato è l’influenza della rugosità superficiale sulla misura dell’angolo di contatto. Su superfici reali, non ideali, la rugosità può amplificare o mascherare le proprietà chimiche del materiale. Il modello di Wenzel (1936) descrive come la rugosità aumenti la bagnabilità intrinseca di una superficie: se una superficie è già idrofobica per la sua chimica, diventerà ancora più idrofobica con l’aggiunta di microrugosità — ed è proprio questo il principio alla base delle superfici superidrofobiche, che imitano la struttura della foglia di loto.

Il modello di Cassie-Baxter, invece, descrive le superfici in cui il liquido non penetra nelle micro – o nanostrutture della superficie, ma rimane “sospeso” su di esse, intrappolando aria al di sotto della goccia. Questo comportamento produce angoli di contatto estremamente elevati e bassissima isteresi, garantendo eccellenti proprietà autopulenti.

Questo approfondimento fornisce un tutorial molto pratico sulla teoria dell’angolo di contatto e sulle tecniche di misurazione. Concetti come l’angolo di contatto statico, dinamico e l’angolo di contatto corretto dalla rugosità sono spiegati e messi in relazione all’applicazione reale. I diversi metodi di misurazione vengono esaminati e confrontati per aiutare a scegliere quello migliore per la vostra superficie, considerando anche substrati come fibre e polveri.