接触角原理概述

(a)前进角
(b)后退角
图 5 前进角与后退角得测定方法
为了避免增减液滴体积时可能引起液滴振动与变形,在测定时可将改变液滴体
积得毛细管尖端插入液滴中,尖端插入液滴不影响接触角得数值。
决定与影响润湿作用与接触角得因素很多。如,固体与液体得性质及杂质、添
无法测定,如何求
(4) ？分别讨论如下:
(5)
因液体表面张力 为已知,故只需测定接触角 即可求出
。
(2)铺展润湿
将(1)式代入(3)式,可得:
因 ≤1,故 ≤0。但 就是自由能降低,结果表示可以有一个自由能增加
或不变得自发过程。这显然违反热力学第二定律。错误在于误用了(1)式,此式只 适用于平衡态。若液滴自动铺展以完全盖住固面,这就表示液滴与固面不成平衡
(7)
由(5)式可知,当
时, ＝1,
＝
,自由能降低为最大,则认为固体
完全被液体润湿;当
时, ＝ 1,
＝0,自由能降低为 0,则固体完
全不被液体润湿,即完全不润湿。这种情况就是理想得,因为液体与固体之间多少 有一些相互吸引力存在。
3. 接触角得测定
对于理想得平固体表面,当液滴在表面达平衡后。只有一个符合 Young 方程得 接触角。但实际固体表面就是非理想得,因而会出现滞后现象,致使接触角得测量 往往很难重复。但经过精心制备与处理得表面,有可能得到较重复得数据,特别就 是高分子得表面。表面得制备与处理得目得就是要得到较光滑、干净得理想表面, 但具体得手续因样品而异,这里不作更多得介绍。这里主要介绍一些常用得接触 角测定方法,它们都就是针对气—液—固体系得接触角而设计得。但其中有些方 法,只需略加修改,亦适用于液—液—固体系接触角得测定。
为:
(2) (2) 铺展润湿
当一液滴在 1 固面上铺展时,原有得 1 固面与一液滴(面积可忽略不计)均消
失,形成 1 液面与 1 固－液界面,则此过程得 为:
(3) (3) 浸湿
当 1 固面浸入液体中时,原有得 1 固面消失,形成 1 固－液界面,则此过程得
为:
对上述三类润湿, 与 (1)粘附润湿
将(1)式代入(2)式,可得:
实验项目:用接触角测量仪测量材料表面得接触角
一． 实验目得:
1.认识与掌握接触角测量仪测量材料表面得接触角得基本原理 2.熟悉接触角测量仪 JC2000D1 得操作技术
二.实验内容:
1.掌握 JC2000D1 型接触角测量仪得工作原理与操作步骤 2.测量几种材料得表面接触角
三.实验仪器,设备及材料
设备 JC2000D1 型接触角测量仪,蒸馏水,解玻片,食盐水,样品木板几个
接触角得应用非常广泛,甚至可以说涉及到身边得每个细节,我们希望汽车玻 璃上不沾雨水,但反之我们希望汽车钢板上得油漆永不脱落。其她比如农药与蔬 菜叶面;涂料与内外墙面,绝缘材料,纳米材料表面化改性等等,从教学科研工农 业生产到日常生活。
图 1 接触角 假定不同得界面间力可用作用在界面方向得界面张力来表示,则当液滴在固体 平面上处于平衡位置时,这些界面张力在水平方向上得分力之与应等于零,即
仪器简单,测量方便。准确度一般在 左右。
2） 量高法 如果液滴很小,重力作用引起液滴得变形可以忽略不计,这时得躺滴可认为就是 球形得一部分,如图 4 所示。接触角可通过高度得测量按下式计算:
(8)
式中 h 就是液滴高度,d 就是滴底得直径。若液滴体积小于 mL,此方法可用。
若接触角小于 ,则液滴稍大亦可应用。
1)量角法 液滴角度测量法就是测量接触角得最常用得方法之一,如图 F3(a,b)所示。该方 法就是将固体表面上得液滴,或将浸入液体中得固体表面上形成得气泡投影到屏 幕上,然后直接测量切线与相界面得夹角,直接测量接触角得大小。
(a)停滴
(b)停泡 图 3 量角法示意图
如果液体蒸气在固体表面发生吸附,影响固体得表面自由能,则应把样品放入带 有观察窗得密封箱中,待体系达平衡后再进行测定。此法得优点就是:样品用量少,
图 4 量高法示意图
液滴在纤维上得接触角也可用量角法测量,把纤维水平拉直.置于样品槽内,然 后投影到电脑屏幕,直接测定液滴与纤维表面得夹角。如果液滴很小,接触角也可 用量高法测量,通过式(8)来计算。
实际固体表面几乎都就是非理想得,或大或小总就是会出现接触角滞后现象.因 此,需同时测定前进角与后退角。对于躺滴法,可用增减液滴体积得办法来测定。 增加液滴体积时测出得就是前进角,如图 5(a)所示;减少液滴体积时为后退角,如 图 5(b)所示。
四.基本原理概述 1.接触角定义及应用
当液滴自由地处于不受力场影响得空间时,由于界面张力得存在而呈圆球状。 但就是,当液滴与固体平面接触时,其最终形状取决于液滴内部得内聚力与液滴 与固体间得粘附力得相对大小。当一液滴放置在固体平面上时,液滴能自动地在 固体表面铺展开来,或以与固体表面成一定接触角得液滴存在,接触角通俗地说, 就就是液滴在固体表面自然形成得半圆形态相对于固体平面得外切线,如图 1 所 示。
态,所而在
此情况下根本没有接触角。 得正确理解应就是有一个角,恰好等于 。
设有固体与压力逐渐增加得蒸气接触以吸附此蒸气,当压力达到饱与蒸气压 时,固面上即有一层极薄得液体。由 Gibbs 吸附原理知,表面自由能降低＝
、因此,
(6) ③浸湿 将式(6)中得 去掉,即得 :
(1)
式中 、 、 分别为固气、液气与固液界面张力; 为液体与固体间得 界面与液体表面得切线所夹(包含液体)得角度,称为接触角(contact angle), 在
之间。接触角就是反应物质与液体润湿性关系得重要尺度,
可作为
润湿与不润湿得界限,
时可润湿,
时不润湿。
2. 润湿
润湿(wetting)得热力学定义就是,若固体与液体接触后体系(固体与液体)得自
由能 G 降低,称为润湿。自由能降低得多少称为润湿度,用 来表示。润湿可 分为三类:粘附润湿(adhesional wetting)、铺展润湿(spreading wetting)与浸湿
(immersional wetting)。可从图 2 瞧出。
(1) 粘附润湿
图 2 三类润湿
如果原有得 1 固面与 1 液面消失,形成 1 固液界面,则此过程得