薄膜的拒水性和表面粗糙度：使用酸奶盖的示例

作者 Suzue Izumi - 2022年 10月 20日

您有没有注意到，当您打开酸奶杯时，有时酸奶粘在盖上，有时却没有？为什么会出现这种情况？

事实证明，这与杯盖的拒水性有关—酸奶会粘在拒水性较低的杯盖上，而不会粘在拒水性较高的杯盖上。

左：酸奶没有粘在盖上（拒水性高）。右：酸奶粘在盖上（拒水性低）。2

拒水性只是食品包装薄膜表面处理的众多属性之一，便于其发挥特定功能。食品包装需具备各种功能，如：

保持食品的新鲜度和质量
使消费者易于处理，如打开包装
创造抗污染的表面

对食品包装的某些功能的需求日益增加，如通过降低粘性来减少食品损失。包装技术也有相应地发展。这些添加到薄膜表面的处理必须进行质量检测，而这种检测通过表面粗糙度进行衡量。

表面粗糙度检测通常用3D激光共聚焦显微镜进行，可测量薄膜表面细小不规则的粗糙度，并对其进行数字量化。在最新的实验中，我使用LEXT OLS5100三维激光共聚焦显微镜，对两种不同酸奶盖的拒水性和表面粗糙度之间的关系进行了研究。

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检查酸奶盖上的可见面状况

首先，我使用OLS5100激光共聚焦显微镜以三维方式观察了酸奶盖背面的可见面状况。

盖子是由多层膜压合而成，包括具有强反射特性的铝层。为了正确了解薄膜最外表面的形状，请务必获取不受下层铝层强反射影响的数据。使用具有浅焦距的高放大倍率物镜可以减少来自下层的强反射影响，并只获取薄膜最外层表面的数据。

OLS5100显微镜可适应405纳米的激光波长，并使用专用的LEXT物镜抑制畸变。通过这种设置，可以在整个视野范围内获得准确的数据。

专用的LEXT物镜（从左到右）：10X低放大倍率物镜，20X、50X和100X高性能物镜，以及20X、50X和100X长工作距离物镜。6

通过三维数据采集，可以直观地看出拒水性高的酸奶盖上有大小不一的球状凸起聚集体，随机散布在基面上。相比之下，拒水性低的盖子则没有明显的凸起形状。

用OLS5100激光共聚焦显微镜拍摄的两个酸奶盖的视觉三维数据。左：拒水性高的酸奶盖（50X物镜，约250µm）。右：拒水性低的酸奶盖（50X物镜，约250µm）。

为便于理解拒水性高的样品的表面状况，可以联想一下荷叶和西兰花的表面。您可能看到过这种表面会排斥水，导致水滴往下流。这些表面有着粗细不均的形状，称为分形结构。由于这种形状，水会被排斥。分形结构是一种在不同尺度上看起来相似的形状。

荷叶（左）和西兰花（右）的拒水性

受这些自然形状的启发，也将这种分形结构应用于高度防水的酸奶盖上。在上面的例子中，使用50X物镜观测了视场（约250µm）的数据。

在更大的视场中获取表面粗糙度数据

接下来，我将从更大的范围内获取数据，看看这种特有的凸起形状在高拒水性酸奶盖的背面有什么样的分布。

高放大倍率物镜仅适用于在盖子背面的最外层表面获取数据。然而，一个视场的范围不足以获取所有数据。

OLS5100显微镜的拼接功能使您可以拼接由高放大倍率物镜拍摄的多个图像，从而生成视野更大的高分辨率图像。

左：拼接前的单个二维图像。右：拼接后的二维图像。

在下图中您可以看到，随机散布在一个视场中的凸形聚集体的外观（右），即使在视场扩大后（左）也有类似的分布。凸形聚集体有一个分形结构。

左：3×3拼接图像（50X物镜，约700µm）。右：一个视场（50X物镜，约250µm）。

量化酸奶盖的表面状况

以上图像直观地表明：

高拒水性薄膜和低拒水性薄膜的表面状况差别很大
凸形聚集体存在于高拒水性薄膜中
凸形聚集体具有分形结构，即使将图像拼接在一起并在一个宽阔的视野中观察，类似的凸形聚集体也是分散的

基于这些结果，我将通过在OLS5100三维激光共聚焦显微镜上测量这两个盖子的表面粗糙度，以量化它们的表面状况。

一般来说，获取单线数据的探针式表面粗糙度检测仪通常用于粗糙度评估。然而，对于局部散布的不规则形状，例如高拒水性表面，粗糙度值会因探针所描画的线条而有很大差异。此外，与探针的接触会损坏样品，导致测量过程存在风险。

相比之下，三维激光共聚焦显微镜可以在不接触的情况下获得表面数据。这可以通过扫描激光束完成。这个过程使其有可能获得比探针的单线数据更多的表面形状信息。

左：探针会损坏样品的表面。右：使用三维激光共聚焦显微镜进行非接触式测量，不会损坏样品。

左：探针式表面粗糙度检测仪的数据仅提供一条线的信息。右：OLS5100三维激光共聚焦显微镜获取了整个平面的信息。28

从宽视场（约700µm）获取的数据将用于表面粗糙度测量。

为了获得适合表面粗糙度的数据，请务必用一个包含至少10个特征不均匀形状成分的视场来进行评估，这些成分会对样品的表面功能产生较高程度的影响。

让我们考虑一下这对上面的高拒水性样品有何影响。假设在一个视场（50X物镜，约250µm）中看到的每个凸形聚集体是提供拒水功能的特征形状成分，则我们需要在更宽的视场中捕获至少10个凸形聚集体。为了收集10个以上的凸形聚集体，我会用3×3拼接图像的宽视场数据来评估表面粗糙度。

两个酸奶盖的表面粗糙度测量结果

使用三维激光显微镜的50X物镜对两个盖子的后表面观测后得到了以下结果：

样品	Sp [µm]	Sv [µm]	Sz [µm]	Sa [µm]	Sdq	Sdr [%]
高拒水性_50×z1_3×3	28.419	9.597	38.016	4.297	2.082	31.562
低拒水性_50×z1_3×3	2.044	7.434	9.478	0.471	0.127	0.561

需要注意的参数是Sp、Sz、Sa、Sdq和Sdr。以下是对这些参数的概括说明：

Sz（最大高度）和Sp（最大峰高）。

Sz值代表平均表面的不均匀性程度。Sz是最大峰高（Sp）和最大谷深（Sv）之和。此处需要注意的是，Sp和Sv之间的差异仅在Sp中较大。本示例中的数据表明，从平均表面看，高拒水性盖子有许多凸起的形状。

Sa（算术平均高度）

Sa显示了与平均表面的高度差的平均值。Sa值大的高拒水性盖子具有较大的不均匀性。

Sdq（均方根梯度）

Sdq显示了表面不规则的局部梯度的平均大小。Sdq值大的高拒水性盖子有更大的不均匀性，这会降低表面的光泽度。

Sdr（展开界面面积比）

Sdr显示了表面积的增加率。拒水性越高，起伏越大，表面积越大。

利用表面粗糙度数据了解盖子的拒水性

在拒水盖子的表面形成分形结构，可以减少酸奶和盖子之间的接触面积。这种表面形状会使酸奶形成的液滴不会粘在薄膜上。接触面积的减少意味着薄膜的表面积大且不均匀。相比之下，拒水性低的盖子的表面积小且均匀，形成了一个较大的接触面积。我们可以得出结论，酸奶会粘在这个盖子上，因为随着接触面积的增加，粘性也会增加。

下面是拒水性与表面粗糙度数据的关系。