技術(shù)文章
TECHNICAL ARTICLES潤濕性、接觸角及其測量
Pendant drop profile 當(dāng)把一液滴置于一固體表面上時,有可能出現(xiàn)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(fā)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(yīng)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(jié)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(guān)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(shù),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(shù))。
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(jié)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(dāng)接觸角大于90°時,液體對固體表面已不呈現(xiàn)潤濕性;當(dāng)這一角度增加到約130°~140°,液體開始呈現(xiàn)對固體表面的排斥性(surface repellency)。 當(dāng)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(xiàn)高度的排斥性。水滴在荷花葉面上的現(xiàn)象就屬于這種情況,接觸角大到約170°,被稱為“荷花效應(yīng)”(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(yīng)用前景,所以是當(dāng)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(xué)均質(zhì)、剛性、各項同性且無化學(xué)反應(yīng)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(yù)示的取值*, 而是在相對穩(wěn)定的兩個角度之間變化,這種現(xiàn)象被稱為接觸角滯后現(xiàn)象(contact angle hysteresis)。上限為前進(jìn)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(xiàn)象可歸因為表面粗糙性、化學(xué)多相和亞穩(wěn)表面能量態(tài)。
實際表面的非理想性, 導(dǎo)致用Young接觸角表征表面濕潤性的傳統(tǒng)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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