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潤濕性、接觸角及其測量

更新時間:2017-09-27點擊次數:2089

潤濕性、接觸角及其測量
Pendant drop profile 當把一液滴置于一固體表面上時,有可能出現以下幾種情況之一:
液滴在固體表面*鋪展開,在其上面形成一液體薄膜。
液滴在固體表面部分鋪展開,在其上面形成一較平坦的液滴。
液滴在固體表面幾乎不發生鋪展,只是“坐“在其上面而形成一高突的液滴。
潤濕(wetting)是指在固體表面上一種液體取代另一種與之不相混溶的流體(氣體或另一液體)的過程。 衡量一液體在某一固體表面的潤濕性的好壞程度可通過接觸角,它是液/氣界面與固體表面之間(包括液體相部分)的夾角。
在*種情況下,接觸角為0°,我們說這液體能*潤濕該固體表面;在第二種情況下,接觸角大于0°但小于90°,我們說這液體能部分潤濕該固體表面;在第三種情況下,接觸角大于90°,我們說這液體不能潤濕該固體表面。
對于一給定的液體/固體表面/大氣(也可以是另一與液體互不相溶的流體相)三相體系,接觸角應為一特定的值,它是由三相之間的相互作用,也即液/氣、液/固和固/氣界面,決定的,是體系本身追求zui小總能量的結果。液滴在固體表面的形狀是由Y-L方程決定的,而接觸角則起到(方程解的)邊界條件的作用。在理想的情況下接觸角與三相間相互作用力的關系可用以下的楊氏方程式(Young's eq.)來描述: Youngs Eq.
所以通過測量一液體在固體表面形成的液滴的接觸角的大小,不但可衡量該液體對固體表面潤濕性的好壞的程度,同時也能間接了解和獲得液/固和固/氣界面相互作用的信息和參數,因為它們無法直接測定(能直接測量的只有液/氣或液/液間的相互作用參數)。
接觸角的測量可通過角度量測儀(goniometer) 直接測定。除了這種直接測量法外,也可通過其他的間接測量法如通過測量液體施加/作用在固體表面的力(如Wilhelmy板/棒法),或通過測量液體在固體粉末或多孔物體中滲透的速度和滲入的量(如基于Washburn公式的天平稱量法)。
接觸角的范圍和實例
4) 荷葉上的水滴
Pendant Drop after fittting 物理上有意義的接觸角的范圍是0°~180°。接觸角為0°時表示液體在固體表面*鋪展開,直到形成一單分子薄層(如果沒有任何阻礙的話!)。 接觸角在0°到30°之間表示液體對固體表面有很好的潤濕性,能較好鋪展開,這一范圍對許多工藝過程都是很重要的,如油漆、涂料、清洗、粘結等。接觸角在30°~90°之間表示液體對固體表面有一定的潤濕性,但不是很好,而當接觸角大于90°時,液體對固體表面已不呈現潤濕性;當這一角度增加到約130°~140°,液體開始呈現對固體表面的排斥性(surface repellency)。 當接觸角增加到150°以上時,液滴其實只是“坐”在表面上,一有機會就想離開表面,對表面呈現高度的排斥性。水滴在荷花葉面上的現象就屬于這種情況,接觸角大到約170°,被稱為“荷花效應”(lotus effect),這類表面也常被稱為超疏水表面(superhydrophobic surface),它們具有自清洗效果(self-cleaning),很有應用前景,所以是當前研究的一個熱點。
同一體系的不同接觸角
上面提到的Young氏方程式其實只適用于一液滴在光滑、化學均質、剛性、各項同性且無化學反應等相互作用的理想表面上。實際表面上接觸角并非如Young方程所預示的取值*, 而是在相對穩定的兩個角度之間變化,這種現象被稱為接觸角滯后現象(contact angle hysteresis)。上限為前進接觸角θa,下限為后退接觸角θr; 二者之差: 
Δθ = θa - θr 
定義為接觸角滯后性。大量研究表明滯后現象可歸因為表面粗糙性、化學多相和亞穩表面能量態。
實際表面的非理想性, 導致用Young接觸角表征表面濕潤性的傳統做法不夠完善, 還必須考慮接觸角的滯后性,這樣才能完整地表征,如表面的超疏水性,等特性。

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