接触角表面能

实验题目 用接触角测量仪测量材料表面的接触角和表面能

（学时数：2学时）

一、实验目的

1. 认识和掌握接触角测量仪测量表面的接触角和表面能的基本原理；

2. 熟悉接触角测量仪（Kruss 公司，型号DSA1000）的操作技术；

二、实验内容

1. 掌握DSA1000型接触角测量仪的工作原理和操作步骤；

2. 测量医用无机薄膜表面的接触角和表面能；

三、实验仪器、设备及材料

本实验所使用的设备为DSA1000型接触角测量仪，测试材料为医用无机薄膜或医用高分子材料。实验中所用到的测试液体为双蒸水、甲酰胺。样品清洗时用到丙酮、无水乙醇、单蒸水和电炉、烧杯等。

四、接触角测量仪的基本原理

将一液体滴到一平滑均匀的固体表面上，若不铺展，则将形成一个平衡液滴，其形状由固液气三相交界处任意两相间之夹角所决定，通常规定在三相交界处自固液界面经液滴内部至气液界面之夹角为平衡接触角，以θ表示。接触角与三个界面张力之关系为如下所示的Young 方程：

cos s g s l l g γγγθ----=

式中s g γ-、s l γ-、l g γ-分别为固-气、固-液和液-气界面张力。由上式知, 只有当

l g s g s l γγγ--->-时才有明确的三相交界线, 即有一定的值；而l g s g s l γγγ---=-时，θ为零；l g s g s l γγγ---<-时不存在平衡接触角。

Young 方程也称为润湿方程，它是界面化学基本方程之一。将Young 方程与三个润湿过程的定义相结合，得到判断润湿过程的几个公式：

沾湿 (cos 1)a s g l g s l l g W γγγγθ----=+-=+； 浸湿 cos i s g s l l g W γγγθ---=-=；

铺展 (cos 1)s g s l l g l g S γγγγθ----=-+=-；

式中，a W 、i W 和S 分别称为粘附功、浸润功(润湿能、粘附张力)、铺展系数。由上三式可知，θ越小(cos θ越大)，相应的a W 、i W 和S 越大, 即润湿性越好，因而θ可作为润湿性能的度量指标。

接触角即液-气表面张力与固-液表面张力之间夹角。将液滴（L ）放在一理想平面（S ）

上，若有一相是气体，则接触角是气－液界面通过液体而与固－液界面所夹的角。如下图示：

本实验室的接触角测量仪采用躺滴法测量样品表面与几种已知液体之间的接触角。在每个样品表面不同位置测量5～10次，读取液滴左右两边的数据，计算求其平均值及置信区间。

仪器型号：DSA1000型接触角测量仪。

躺滴法最为广泛使用的测量方法之一。该方法测量简单、方便，准确度一般在±2度左右，如果液滴很小，重力作用引起的变性可以忽略，这时的液滴可以认为是球形的一部分。

五、 通过接触角计算表面能及其极性分量、色散分量

若设固-液接触面积为单位面积，在恒温恒压下，此过程引起体系自由能的变化是：

LV

SV SL G γγγ--=∆ （1）

式中

SL γ ，SV γ ，LV γ分别为单位面积固-液、固-气和液-气的界面自由能。沾湿的实

质是液体在固体表面上的粘附，粘附功的定义表示为：

SL

LV SV a W γγγ-+= （2）

又有Young 方程

θγγγcos LV SL SV += （3）

由（2）（3）得

)

cos 1(θγ+=LV a W （4）

同时，粘附功又可以用两相中各自的极性分量和色散分量来表示

p

LV p SV p LV d SV a W γγγγ22+= （5）

式中p

SV

γ和p LV

γ为固体和液体表面自由能的极性部分，式中d SV

γ和d LV

γ为固体和液体表

面自由能的色散部分。

由式（4）和式（5）得

p

LV

p S d LV d S LV r r r r r 22)cos 1(+=+θ （6） 式中有p

SV

γ和d SV

γ两个未知数，但只要找到两个已知p LV

γ和

d LV

γ的探测液体（见表1），

测二种液体在固体表面的接触角，分别把液体的表面张力和接触角的数据代入上式，即可得两个独立的方程，解此方程组即得

p

SV

γ和

d SV

γ。

固体的表面自由能： d

SV p SV SV γγγ+= （7）

s g γ-

s g γ-

l g γ-

表1五种液体的表面能参数（单位mN/m）

六、实验步骤

1．开机：开仪器、电脑、软件。

2．安装针头和液体。

3．接触角的测量

3．1设定测量条件：

调整针头位置；调整放大倍数与调焦；调节载物台。

3．2测量：

进样；测量过程纪录（以录像方式记录测量数据）。

4．接触角及表面能的结果计算分析：

4．1调出录像中的图片进行基线调节后测量接触角；

4．2．表面能及其极性分量、色散分量的计算窗口；

七、实验报告要求

1.实验名称、学生姓名、班号和实验日期；

2.简要叙述DSA1000型接触角测量仪的工作原理；

3.说明实验中所用的实验仪器和材料；

4.叙述测量材料表面接触角时的操作步骤；

5.实验数据的原始记录（包括接触角、表面能及其极性分量、色散分量）；

6.根据本节五的方法，通过所测得的接触角计算材料的表面能，及其极性分量、色散

分量，并与DSA1000型接触角测量仪所测量出的结果相比较。

八、实验注意事项

1.实验室场地比较拥挤，学生务必注意遵守纪律；

2.学生必须在教师的指导下进行操作；

3.做好实验原始记录，整理好实验数据，不清楚的地方要及时问指导教师；

4.实验结束后清理好实验场地，收好实验样品。

九、思考题

1.材料表面与水的接触角的大小反映了材料表面的什么性能？

2.材料的表面能的单位是什么？表达的是什么物理量？

3.极性分量与色散分量分别代表什么意义？