接觸角的原理和應(yīng)用

接觸角的簡(jiǎn)介

接觸角（contact angle）是指在氣、液、固三相交點(diǎn)處所作的氣-液界面的切線，此切線在液體一方的與固-液交界線之間的夾角θ，是潤(rùn)濕程度的量度。

接觸角測(cè)量?jī)x原理用接觸角測(cè)量?jī)x本身附帶的注射器針頭將一滴待測(cè)液體滴在基質(zhì)上。液滴會(huì)貼附在基質(zhì)表面上并投射出一個(gè)陰影。投影屏幕千分計(jì)會(huì)使用光學(xué)放大作用將影像投射到屏幕上以進(jìn)行測(cè)量。

固體板插入液體時(shí)，只有板面與液體的夾角恰好為接觸角時(shí)液面才直平伸至三相交界處，不出現(xiàn)彎曲。否則，液面將出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象。因此，改變板的插入角度直至液面三相交界處附近無彎曲，這時(shí)，板面與液面的夾角即為接觸角。

接觸角的特點(diǎn)

1、當(dāng)θc=0，完全潤(rùn)濕；

2、當(dāng)θc﹤90°，部分潤(rùn)濕或潤(rùn)濕，親水；

3、當(dāng)θc=90°，是潤(rùn)濕與否的分界線；

4、當(dāng)θc﹥90°，不潤(rùn)濕，疏水；

5、當(dāng)θc=180°，完全不潤(rùn)濕。

若θ<90°，則固體表面是親水性的，即液體較易潤(rùn)濕固體，其角越小，表示潤(rùn)濕性越好；若θ>90°，則固體表面是疏水性的，即液體不容易潤(rùn)濕固體，容易在表面上移動(dòng)。至于是否液體能進(jìn)入毛細(xì)管，這個(gè)還與具體液體有關(guān)，并非所有液體在較大夾角下完全不進(jìn)入毛細(xì)管。

潤(rùn)濕過程與體系的界面張力有關(guān)。一滴液體落在水平固體表面上，當(dāng)達(dá)到平衡時(shí)，形成的接觸角與各界面張力之間符合楊氏公式。

接觸角的應(yīng)用

1、在潤(rùn)滑油的特性標(biāo)定中，檢驗(yàn)各中重油、潤(rùn)滑油的黏附及潤(rùn)濕關(guān)系。

2、.在印刷行業(yè)中，檢驗(yàn)印刷油墨、金屬、紙張之間的付著、黏結(jié)潤(rùn)濕關(guān)系。

3、在建筑防水工作中，檢驗(yàn)經(jīng)硅酸樹脂處理的紡織物的防水性能。

4、在浮選工作中，檢驗(yàn)用沸騰法選擇礦物微粒在油水混合物中沾化吸附能力。

5、在搪瓷工業(yè)中，檢驗(yàn)溶化的硅化物對(duì)金屬表面的粘化附著力。

6、在活性試劑表面特性測(cè)定中，檢查液體試劑的滲透、生銹特性。

7、檢驗(yàn)金屬表面的脫脂，清潔，老化，親水等情況及薄膜表面上的吸附特性。

8、在軍事科學(xué)研究中，檢驗(yàn)發(fā)射出的彈皮與空氣中雨霧的附著、潤(rùn)濕特性。

接觸角的測(cè)量方法

1.切線法：

常規(guī)方法，需手工切線，誤差較大。

2.圓法：

也叫寬高法，θ/2法，利用三點(diǎn)擬合一個(gè)圓形（開放式存在，能更好的看清楚是否貼合在一起），從而計(jì)算出接觸角度。適用于<20°角度的接觸角測(cè)量。

3.橢圓法：

當(dāng)接觸角度超過20度時(shí)，此時(shí)已不是一個(gè)常規(guī)的圓形，而近似一個(gè)橢圓形，橢圓法用五點(diǎn)擬合橢圓形，從而計(jì)算出接觸角度。適用于>20° <120°角度測(cè)量。

4.Laplace-Young法：

適用于>120°超疏水角度的測(cè)量。但是Laplace-Young法有一個(gè)缺點(diǎn)，就是圖象一定要非常清晰和完整，需自動(dòng)擬合，并且左右兩邊的角度要均勻。目前已經(jīng)開發(fā)出微分圓法和微分橢圓法，此方法含擴(kuò)（圓環(huán)法，橢圓法，Laplace-Young法）并能優(yōu)化Laplace-Young法的不足之處。

5.量角法：

液滴角度測(cè)量法是測(cè)量接觸角的最常用的方法之一，如圖3(a，b)所示。該方法是將固體表面上的液滴，或?qū)⒔胍后w中的固體表面上形成的氣泡投影到屏幕上，然后直接測(cè)量切線與相界面的夾角，直接測(cè)量接觸角的大小。

如果液體蒸氣在固體表面發(fā)生吸附，影響固體的表面自由能，則應(yīng)把樣品放入帶有觀察窗的密封箱中，待體系達(dá)平衡后再進(jìn)行測(cè)定。此法的優(yōu)點(diǎn)是;樣品用量少，儀器簡(jiǎn)單，測(cè)量方便。準(zhǔn)確度一般在±1左右。

6.量高法：

如果液滴很小，重力作用引起液滴的變形可以忽略不計(jì)，這時(shí)的躺滴可認(rèn)為是球形的一部分，如圖4所示。接觸角可通過高度的測(cè)量按下式計(jì)算:

式中h是液滴高度，d是滴底的直徑。若液滴體積小于10mL，此方法可用。若接觸角小于90，則液滴稍大亦可應(yīng)用。液滴在纖維上的接觸角也可用量角法測(cè)量，把纖維水平拉直。置于樣品槽內(nèi)，然后投影到電腦屏幕，直接測(cè)定液滴與纖維表面的夾角。如果液滴很小，接觸角也可用量高法測(cè)量，通過式(8)來計(jì)算。

實(shí)際固體表面幾乎都是非理想的，或大或小總是會(huì)出現(xiàn)接觸角滯后現(xiàn)象。因此，需同時(shí)測(cè)定前進(jìn)角和后退角。對(duì)于躺滴法，可用增減液滴體積的辦法來測(cè)定。增加液滴體積時(shí)測(cè)出的是前進(jìn)角，如圖5(a)所示;減少液滴體積時(shí)為后退角，如圖5(b)所示。

為了避免增減液滴體積時(shí)可能引起液滴振動(dòng)和變形，在測(cè)定時(shí)可將改變液滴體積的毛細(xì)管尖端插入液滴中，尖端插入液滴不影響接觸角的數(shù)值。

決定和影響潤(rùn)濕作用和接觸角的因素很多。如，固體和液體的性質(zhì)及雜質(zhì)、添加物的影響，固體表面的粗糙程度、不均勻性的影響，表面污染等。對(duì)于一定的固體表面，在液體液相中加入表面活性物質(zhì)?？筛纳茲?rùn)濕性質(zhì)，并且隨著液體和固體表面接觸時(shí)間的延長(zhǎng)，接觸角有逐漸變小趨于定值的趨勢(shì)，這是由于表面活性物質(zhì)在各界面上吸附的結(jié)果。

接觸角的制樣要求

1. 粉末樣品需至少0.5ml，收取制樣費(fèi)用；

2. 塊體或者薄膜樣品測(cè)一次接觸角需要的面積至少是0.5cm*0.5cm，需要表面潔凈、平整；

3. 液體需要5ml。