特殊的界面活性劑與異常的潤濕現象｜國立中央大學博碩士論文系統

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研究生：	林昭榮 Lin-Chao Jung
論文名稱：	特殊的界面活性劑與異常的潤濕現象 Atypical Surfactant & Unusual Wetting
指導教授：	曹恒光 Tsao-Heng Kwong
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	工學院 - 化學工程與材料工程學系 Department of Chemical & Materials Engineering
畢業學年度：	96
語文別：	中文
論文頁數：	95
中文關鍵詞：	邊界效應、潤濕現象、界面活性劑
外文關鍵詞：	edge effect, wetting phenomenon, surfactant
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本實驗藉由水滴潤濕物質表面，加上外界氣相三相所造成三方向的張力來維持系統平衡，利用楊氏方程式(Young’s equation)熱力學平衡，而在液滴與物質接觸處出現一個角度，定義為接觸角(contact angle)，接觸角是一個界定濕潤程度(wettability)的指標，也能判別物質的親疏水性。
生活中常接觸不同的溶劑，其中存在少數相似界面活性劑的特性，例如濕潤效果極佳、會產生微胞(micelle)等特性。業界常用的去光阻劑BDG就是這類溶劑，因此可利用接觸角界定其潤濕程度，利用密度計、聲速計等儀器來分析其是否產生微胞的證據，甚至再文獻中得知可利用核磁共振儀(NMR)來判斷形成微胞時的分子數，以區分BDG與傳統界面活性劑的相關性。
從上述的楊氏熱力學平衡，固定液體種類與固體材料，加上氣相是不會變的空氣，可知液體與固體所形成的接觸角理當固定(排除小誤差)，但實驗過程中發現在某些條件下(此實驗指亦體接觸邊界)，系統仍會維持平衡，但卻違反Young’s equation，所以利用熱力學平衡穩態時能量最低重新推導一套符合接處邊界時接觸角的公式，再改變不同液體與材料去分析新公式的正確性與限定條件。

We have studied the atypical nonionic surfactant 2-(2-Butoxyethoxy)-ethanol (BDG, C4E2) and unusual droplet wetting at the edge of a homogeneous surface. Owing to the short alkyl tail, BDG is typically regarded as a solvent completely miscible with water. However, our experimental results based on bulk (density and sound velocity) and surface properties (surface tension and contact angle) show that BDG possesses the typical feature of surfactant: a sudden slope change of the property-concentration curve. Nonetheless, the critical micelle concentration determined by the turning point is usually high, about 1 M. As a result, BDG possesses the dual nature of solvent and surfactant and can be a good cleaning solution for post-chemical mechanical polishing in semiconductor industry.
When a droplet is deposited on a flat, homogenous surface, the intrinsic contact angle depicts the wettability of liquid on solid substrates. We perform droplet wetting experiments atop cylindrical frustums. Three different regimes are observed. In the first regime, the droplet does not reach the edge and the Young-Laplace equation is followed. After the droplet reaches the edge, the contact angle continues increasing with the liquid volume due to advanced pinning. In the second regime, the apparent contact angle cannot be described by the Young-Laplace equation. Once the droplet volume (or the contact angle) exceeds a critical value, the droplet starts to invade the slanted surface with the intrinsic contact angle or falls off like avalanche. In the third regime, the latter occurs because the gravity becomes important.

第一章  緒論.............................................1
1.1 前言...........................................1
1.1-1 C4En的研究..............................1
1.1-2 異常的潤濕現象.........................4
1.2 界面活性劑的介紹...............................5
1.3 特殊溶劑BDG的介紹.............................15
第二章  相關原理與文獻回顧...............................17
2.1 表面張力的概念與原理...........................17
2.2 表面張力的測定方法.............................19
2.3 接觸角相關原理與測定方法.......................25
2.3-1 氣-液-固三相系統的潤濕行為.............25
2.3-2 前進角與後退角.........................27
2.3-3 液滴固定(Pin)於固體表面的影響..........28
2.3-4 接觸角的測定...........................29
2.3-5 Young’s equation 修正式..............31
2.4 密度與聲速的原理...............................33
2.4-1界面活性劑濃度與密度的關係..............33
2.4-2 界面活性劑濃度與聲速的關係.............35
第三章  實驗藥品與儀器的介紹.............................36
3.1 實驗儀器介紹...................................36
3.1-1 影像式接觸角測量儀(Software-Controlled
Multi Dosing System-DSA10).............36
3.1-2 表面能原理介紹.........................38
3.1-3 密度計與聲速分析儀(Density & Sound
Velocity Analyzer - DSA 5000)...........40
3.2 藥品與材料.....................................42
第四章  結果與討論.......................................45
4.1 Part I C4En與界面活性劑的特性比較...............45
4.1-1 C4En的接觸角、表面張力分析與討論.........45
4.1-2 C4En的溶液內部分析(密度與聲速)..........53
4.1-3 C4En的親水性探討........................59
4.2 Part II 邊界濕潤效應...........................63
4.2-1 Young’s equation的失真...............63
4.2-2 熱力學歸納臨界角關係...................65
4.2-3 θy改變對θc的影響......................66
4.2-4 α(幾何角度)改變對θc的影響............69
第五章  實驗結果總結.....................................76
5.1 C4E1、C4E2與界面活性劑(SDS)的比較................76
5.2 臨界角θc 與接觸角θy、物體幾何角α的關係........77
第六章  參考文獻.........................................79
圖目錄
圖(1-1) 液體在固體上不同的潤濕行為示意圖..................2
圖(1-2) 違反Young’s equation的平衡現象...................4
圖(1-3) surfactant 之結構示意圖...........................5
圖(1-4) 微胞的形成示意圖..................................8
圖(1-5) 微胞結構：（a）球形結構；（b）雙層球形結構；
（c）柱狀結構；（d）層狀結構............9
圖(1-6) 界面活性劑溶液之各種物理性質示意圖...............13
圖(1-7) BDG (二乙二丁醇單丁醚)結構.......................15
圖(1-8) 光阻曝光過程.....................................16
圖(2-1) 液體表面及內部分子之吸引力示意圖.................17
圖(2-2) 毛細管上升現象放大示意圖.........................19
圖(2-3) 鉑片接觸液面示意圖...............................20
圖(2-4) 利用圓環法測定表面張力示意圖.....................21
圖(2-5) 細管尖端液滴分離示意圖...........................22
圖(2-6) 液滴在表面張力分析軟體計算其值示意圖.............24
圖(2-7) 氣-液-固界面張力之間平衡示意圖...................26
圖(2-8) (a) 前進角的示意圖 (b) 後退角的示意圖............27
圖(2-9) 水痕(water mark)的形成...........................28
圖(2-10) Wenzel model 粗糙度影響示意圖...................31
圖(2-11) Cassie model 空氣造成疏水更疏水現象示意圖.......32
圖(2-12) surfactant 濃度與溶液密度的關係示意圖...........33
圖(2-13) surfactant 濃度上升在溶液中的變化示意圖.........34
圖(2-14) surfactant 濃度與聲速關係示意圖.................35
圖(3-1) 影像式接觸角量測儀DSA10圖示......................36
圖(3-2) 量測液滴與銅晶片表面的動態接觸角圖示.............37
圖(3-3) Owens, Wendt, Rabel, and Kaelble method
線性關係圖.......................................38
圖(3-4) SiO2表面能測試圖.................................39
圖(3-5) (a) 密度計與聲速分析儀 (DSA 5000)
(b) 密度計側面圖 (實驗操作處)....................40
圖(3-6) 待測溶液流過聲速、密度樣品槽示意圖...............41
圖(3-7) 圓柱體製造過程示意圖.............................43
圖(3-8) 壓克力規格圖.....................................44
圖(4-1) SDS 微胞的形成與接觸角(On Cu)變化圖..............46
圖(4-2) SDS 微胞的形成與表面張力變化圖...................47
圖(4-3) C4En，不同wt% 在銅表面的接觸角變化................48
圖(4-4) C4En，不同wt% 的表面張力變化......................49
圖(4-5) 傳統界面活性劑其微胞形成示意圖...................51
圖(4-6) SDS的密度變化....................................54
圖(4-7) SDS 聲速變化圖...................................55
圖(4-8) 密度 V.S C4En(wt%)的變化..........................57
圖(4-9) 聲速 V.S C4En(wt%)變化............................58
圖(4-10) C4E0的壓縮度變化.................................60
圖(4-11) 溶質(surfactant)與水的親合示意圖................62
圖(4-12) 水滴在SiO2上的接觸角變化........................64
圖(4-13) 物體幾何結構角度圖解............................65
圖(4-14) water(1)、乙二醇(2)、BDG(3) 在(90o)SiO2圓柱
體上的接觸角(a) 與臨界角(b).....................67
圖(4-15) water(1)、乙二醇(2)、BDG(3) 在(90o)壓克力
圓柱體上的接觸角(a) 與臨界角(b).................68
圖(4-16) water在α=30o(1)、α=90o(2)、α=110o(3)
的壓克力的接觸角(a) 與臨界角(b).................70
圖(4-17) water跨越α角過程圖.............................71
圖(4-18) BDG在α=30o(1)、α=90o(2)、α=110o(3)
的壓克力的接觸角(a) 與臨界角(b).................73
圖(4-19) 不同θy在不同α(壓克力材質)上對應的θc...........75
表目錄
表(1-1) 常見之各類型界面活性劑............................7
表(1-2) 測定界面活性劑之臨界微胞濃度各種方法.............14
表(4-1)  C4En的水合數.....................................61

                                

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