接觸角原理概述

1、實驗項目：用接觸角測量儀測量材料表面的接觸角一 實驗目的：1認識和掌握接觸角測量儀測量材料表面的接觸角的基本原理2熟悉接觸角測量儀JC2000D1的操作技術(shù)二實驗內(nèi)容：1掌握JC2000D1型接觸角測量儀的工作原理和操作步驟2測量幾種材料的表面接觸角三實驗儀器，設備及材料設備JC2000D1型接觸角測量儀，蒸餾水，解玻片，食鹽水，樣品木板幾個四基本原理概述1接觸角定義及應用 當液滴自由地處于不受力場影響的空間時，由于界面張力的存在而呈圓球狀。但是，當液滴與固體平面接觸時，其最終形狀取決于液滴內(nèi)部的內(nèi)聚力和液滴與固體間的粘附力的相對大小。當一液滴放置在固體平面上時，液滴能自動地在固體表面鋪展開來

2、，或以與固體表面成一定接觸角的液滴存在，接觸角通俗地說，就是液滴在固體表面自然形成的半圓形態(tài)相對于固體平面的外切線，如圖1所示。接觸角的應用非常廣泛，甚至可以說涉及到身邊的每個細節(jié)，我們希望汽車玻璃上不沾雨水，但反之我們希望汽車鋼板上的油漆永不脫落。其他比如農(nóng)藥和蔬菜葉面；涂料和內(nèi)外墻面，絕緣材料，納米材料表面化改性等等，從教學科研工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)到日常生活。圖1 接觸角 假定不同的界面間力可用作用在界面方向的界面張力來表示，則當液滴在固體平面上處于平衡位置時，這些界面張力在水平方向上的分力之和應等于零，即 S/A=S/L+L/Acos (1)式中S/A、L/A、S/L 分別為固-氣、液-

3、氣和固-液界面張力；為液體與固體間的界面和液體表面的切線所夾（包含液體）的角度，稱為接觸角（contact angle），在0°-180°之間。接觸角是反應物質(zhì)與液體潤濕性關(guān)系的重要尺度，90°可作為潤濕與不潤濕的界限，<90°時可潤濕，>90°時不潤濕。2 潤濕 潤濕(wetting)的熱力學定義是，若固體與液體接觸后體系（固體和液體）的自由能G降低，稱為潤濕。自由能降低的多少稱為潤濕度，用WSL來表示。潤濕可分為三類：粘附潤濕（adhesional wetting）、鋪展?jié)櫇瘢╯preading w

4、etting）和浸濕（immersional wetting）?？蓮膱D2看出。 圖2 三類潤濕（1） 粘附潤濕 如果原有的1m2固面和1m2液面消失，形成1m2固-液界面，則此過程的WAS/L為：  WAS/LS/AL/A-S/L （2）（2） 鋪展?jié)櫇?#160;當一液滴在1m2固面上鋪展時，原有的1m2固面和一液滴（面積可忽略不計）均消失，形成1m2液面和1m2固液界面，則此過程的WSS/L為：  WSS/LS/A-L/A-S/L （3）（3） 浸濕 當1m2固面浸入液體中時，原有的1m2固面消失，形成1m2固

5、液界面，則此過程的WIS/L為：  WIS/LS/A-S/L （4）對上述三類潤濕，S/A和S/L無法測定，如何求WS/L？分別討論如下：（1）粘附潤濕  將（1）式代入（2）式，可得：WAS/LL/A（1+cos） （5） 因液體表面張力L/A為已知，故只需測定接觸角即可求出WAS/L。 （2）鋪展?jié)櫇?#160; 將（1）式代入（3）式，可得：WSS/LL/A（cos1） 因cos1，故WSS/L0。但WS/L是自由能降低，結(jié)果表示可以有一個自由能增加或不變的自發(fā)過程。這顯然違反熱力學第二定律。錯誤在于誤用了（1）式，此式只適用于平衡態(tài)。若

6、液滴自動鋪展以完全蓋住固面，這就表示液滴與固面不成平衡態(tài)，所以不能將（1）式代入（3）式中。這里應該指出，不能將鋪展?jié)櫇裾J為0°，而在此情況下根本沒有接觸角。0°的正確理解應是有一個角，恰好等于0°。  設有固體與壓力逐漸增加的蒸氣接觸以吸附此蒸氣，當壓力達到飽和蒸氣壓P0時，固面上即有一層極薄的液體。由Gibbs吸附原理知，表面自由能降低RT0P0dlnP.因此， WSS/LS/A-LA-SL=RT0P0dlnP (6)浸濕 將式（6）中的L/A去掉，即得WIS/L：   WIS/LS/A-SL =RT0P0dlnP (7

7、)由（5）式可知，當0°時，cos1，WAS/L2LA，自由能降低為最大，則認為固體完全被液體潤濕；當180°時，cos-1，WAS/L0，自由能降低為0，則固體完全不被液體潤濕，即完全不潤濕。這種情況是理想的，因為液體與固體之間多少有一些相互吸引力存在。3 接觸角的測定 對于理想的平固體表面，當液滴在表面達平衡后。只有一個符合Young方程的接觸角。但實際固體表面是非理想的，因而會出現(xiàn)滯后現(xiàn)象，致使接觸角的測量往往很難重復。但經(jīng)過精心制備和處理的表面，有可能得到較重復的數(shù)據(jù)，特別是高分子的表面。表面的制備和處理的目的是要得到較光滑、干凈的理想表面，但具體的手續(xù)因樣品而異，

8、這里不作更多的介紹。這里主要介紹一些常用的接觸角測定方法，它們都是針對氣液固體系的接觸角而設計的。但其中有些方法，只需略加修改，亦適用于液液固體系接觸角的測定。1）量角法 液滴角度測量法是測量接觸角的最常用的方法之一，如圖F3（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，然后直接測量切線與相界面的夾角，直接測量接觸角的大小。 （a）停滴 （b）停泡圖3 量角法示意圖  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，則應把樣品放入帶有觀察窗的密封箱中，待體系達平衡后再進行測定。此法的優(yōu)點是：樣品用量少，儀器簡單，測量方便。準確度一

9、般在±1°左右。2） 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，這時的躺滴可認為是球形的一部分，如圖4所示。接觸角可通過高度的測量按下式計算： tan2=2hd (8) 式中h是液滴高度，d是滴底的直徑。若液滴體積小于10-4mL，此方法可用。若接觸角小于90°，則液滴稍大亦可應用。 圖4 量高法示意圖 液滴在纖維上的接觸角也可用量角法測量，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量，通過式（8）來計算。  實際固體表面幾乎都是非理想的，或大或小總是會出現(xiàn)接觸角滯后現(xiàn)

10、象因此，需同時測定前進角和后退角。對于躺滴法，可用增減液滴體積的辦法來測定。增加液滴體積時測出的是前進角，如圖5(a)所示；減少液滴體積時為后退角，如圖5(b)所示。 （a)前進角 （b）后退角圖5 前進角和后退角的測定方法 為了避免增減液滴體積時可能引起液滴振動和變形，在測定時可將改變液滴體積的毛細管尖端插入液滴中，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)?？筛纳茲櫇裥再|(zhì)，并且隨著液體和固體表面接觸時間的延長，接

11、觸角有逐漸變小趨于定值的趨勢，這是由于表面活性物質(zhì)在各界面上吸附的結(jié)果。五實驗步驟：（1） 量高法測接觸角的實驗步驟1 連接進樣泵；2 點擊活動圖象；3 旋轉(zhuǎn)平臺上旋鈕找到液滴；4 上移平臺使液滴接觸到；5 下移平臺，分離液滴與進樣管6 凍結(jié)圖象7點文件菜單保存圖片8點基準線，調(diào)整基準線完了點確定9用量高法測接觸角，鼠標對著圖片里面，三相接觸的左，右及頂端各點標志，接觸角測出。（2） 量角法測接觸角實驗步驟1 按量角法按鈕，進入量角法主界面，2 按開始鍵，打開文件夾，選中需要計算的圖形文件3 量角器精度：選擇0.05與0.25兩個精度之一4 量取角度：顯示測量角5 W：測量尺向上，S：測量尺向下，A：測量尺向右，D：測量尺向左，：測量尺左旋，：測量尺右旋。6 一般選左測量角，如果選右邊測量角則點補角修正六數(shù)據(jù)處理1量高法測量的接觸角蒸餾水與平板玻璃12345蒸餾水與木板1食鹽水與平板玻璃2量角法測量測接觸角蒸餾水與平板玻璃12345蒸餾水與木板1食鹽水與平板玻璃七思考題：1材料表面與水的接觸角的大小反映了材料表面的什么性能？注意事項平衡時間和體系溫度的恒定。當體系未達到平衡時，接觸角會變化，這時的接觸角稱為動態(tài)接觸角，動態(tài)接觸角