一、定義
接觸角是衡量液體對固體表面潤濕性的一個指標(biāo)。它是在氣、液、固三相交界處,氣-液界面的切線與固-液交界線之間的夾角。接觸角的大小直接反映了液體在固體表面的潤濕能力。
二、應(yīng)用
接觸角測量技術(shù)是一種精確的科學(xué)方法,它不僅能夠?qū)Σ牧系谋砻嫘阅苓M(jìn)行詳細(xì)的表征和分析,而且在多個關(guān)鍵行業(yè)中扮演著至關(guān)重要的角色。
1.石油工業(yè):該技術(shù)用于評估油水界面的相互作用,從而優(yōu)化勘探和開采過程。
2.浮選工業(yè):通過接觸角的精確測量,可以有效地控制和改進(jìn)礦物的分離過程。
3.醫(yī)藥材料:接觸角測量技術(shù)是研究藥物與生物表面相互作用的重要工具,對于藥物傳遞系統(tǒng)的設(shè)計具有重大意義。芯片產(chǎn)業(yè)利用此技術(shù)來確保晶圓表面的清潔度和均勻性,以保質(zhì)保量的產(chǎn)出。
4.環(huán)境友好型材料的開發(fā):低表面能無毒防污材料的研究依賴于接觸角測量技術(shù)來評價其防污性能。在油墨和化妝品行業(yè),該技術(shù)支持產(chǎn)品配方的優(yōu)化,以確保理想的涂抹和附著特性。農(nóng)藥的研發(fā)也借助于接觸角測量技術(shù),以期提高活性成分在目標(biāo)作物上的吸附效率。
5.印染工藝:通過接觸角的控制,可以改善顏料在纖維上的固著率,而在造紙工業(yè),它有助于提升紙張的品質(zhì)??椢镎眍I(lǐng)域利用接觸角測量技術(shù)來增強紡織品的親水性或疏水性,以實現(xiàn)特定的功能性。洗滌劑的研制同樣離不開接觸角的精確測定,以確保最佳的清潔效果。
6.噴涂應(yīng)用:該技術(shù)確保涂層的均一性和附著力,而在污水處理領(lǐng)域,接觸角測量技術(shù)則用于優(yōu)化固體顆粒的沉降和分離過程。
三、特點
在考慮液體與固體表面的相互作用時,接觸角θ是判斷表面潤濕性的關(guān)鍵參數(shù)。若θ小于90°,則可判定該固體表面為親水性,即液體能夠較易地潤濕固體。在此情況下,接觸角越小,表明潤濕性越佳。反之,若θ大于90°,則固體表面表現(xiàn)為疏水性,即液體不易潤濕固體,并在表面上易于移動。
關(guān)于液體是否能進(jìn)入毛細(xì)管,這不只取決于接觸角的大小,還與特定液體的性質(zhì)有關(guān)。即便在較大夾角的條件下,也并非所有液體都會排斥進(jìn)入毛細(xì)管。
潤濕過程與各相界面間的張力有著直接的聯(lián)系。當(dāng)一滴液體落在水平的固體表面上并達(dá)到平衡狀態(tài)時,所形成的接觸角與固/氣、固/液、液/氣三個界面之間的張力滿足楊氏方程(Young Equation):γSV= γSL+ γLV×cosθe
根據(jù)楊氏方程,我們可以預(yù)測幾種不同的潤濕情形:
1.當(dāng)θ=0°時,代表液體對固體的潤濕;
2.當(dāng)θ﹤90°時,液體對固體存在部分潤濕或潤濕現(xiàn)象;
3.當(dāng)θ=90°時,它標(biāo)志著潤濕與不潤濕的臨界點;
4.當(dāng)θ﹥90°時,液體不潤濕固體;
5.當(dāng)θ=180°時,液體不全潤濕固體。
在毛細(xì)現(xiàn)象中,液體上升或下降的高度h反映了毛細(xì)作用的強度,其中h的正負(fù)值分別對應(yīng)著上升或下降。浸潤液體上升時,接觸角表現(xiàn)為銳角;而不浸潤液體下降時,接觸角則為鈍角。
液體在毛細(xì)管中上升的高度h可通過以下公式計算:
上升高度h=2*表面張力系數(shù)/(液體密度*重力加速度g*液面半徑R)。
上升高度h=2*表面張力系數(shù)*cos接觸角/(液體密度*重力加速度g*毛細(xì)管半徑r)。
四、測量方法
接觸角的測量是表面化學(xué)和材料科學(xué)中的重要實驗手段,用于評估液體與固體表面的相互作用。目前,測量接觸角的方法主要有兩種:一是外形圖像分析法;二是稱重法,后者亦稱為潤濕天平或滲透法接觸角儀。在眾多方法中,外形圖像分析法因其應(yīng)用廣泛、測量值直接且準(zhǔn)確而被廣泛采用。
外形圖像分析法的基礎(chǔ)原理是將液體滴置于固體樣品表面,通過顯微鏡頭和相機(jī)捕捉液滴的外形圖像。隨后,利用數(shù)字圖像處理技術(shù)及相應(yīng)算法,從圖像中計算出液滴的接觸角。
接觸角的計算通?;谔囟ǖ臄?shù)學(xué)模型,如將液滴視為球體或圓錐體的一部分。通過測量特定參數(shù),例如寬度/高度比,或通過直接擬合的方式,可以得出接觸角的值。Young-Laplace方程則描述了封閉界面的內(nèi)外壓力差與界面曲率和界面張力之間的關(guān)系,它能夠精確地描述軸對稱液滴的外形輪廓,并據(jù)此計算出接觸角。
對于紙張的接觸角測量,可以參考Tappi T 558標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。而煙用紙張的接觸角測量,則應(yīng)依據(jù)中國制煙行業(yè)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YC/T 424-2011“煙用紙表面潤濕性能的測定 接觸角法”執(zhí)行。
接觸角的測量方法可以根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類。按照直接測量物理量的不同,可分為量角法、測力法、長度法和透過法。根據(jù)測量時三相接觸線的移動速率,可分為靜態(tài)接觸角、動態(tài)接觸角(進(jìn)一步細(xì)分為前進(jìn)接觸角和后退接觸角)以及低速動態(tài)接觸角。按測試原理劃分,又可以分為靜止或固定液滴法、Wilhemly板法、捕獲氣泡法、毛細(xì)管上升法和斜板法。
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