接触角的测量方法与发展

接触角的测量方法与发展

臧红霞

(邢台学院,河北　054001)

摘　要:本文探讨了接触角测量的理论依据、常用方法、接触角滞后的影响因素以及Young方程的适用范围;对接触角测量方法的发展进行阐述,着重于动态接触角的测量。关键词:接触角;Young方程;固液界面中图分类号O657199　文献标识码A　文章编号:1009-8143(2006)02-0047-02

Thedevelopmentofmethodsaboutthemeasurementofcontactangle

ZangHongxia

(XingtaiUniversity,Hebei,054001,China)

Abstract:Thedevelopmentofmethodsaboutthemeasurementofcontactangleisrepresented,andthemeasurementofdy2namiccontactangleismainlyreviewed1Theoreticalproofandnormalmethodsofcontactanglearediscussed1Additionally,influentialfactorsoncontactangleandYoungequationarealsoinvestigated1Keywords:contactangle;Youngequation;solid-liquidinterface

　　在一个水平放置的光滑固体表面上,滴一滴液体。若液体不能铺展,将形成一个平衡液滴,平衡形状取决于固体表面能、液体表面能以及固-液界面能间的平衡关系。液-固界面水平线与气-液界面

[1]

切线形成的相对夹角,称为接触角θ。

θ与三个界面张力之间的关系称为Young方程:

θ

γs-g-γs-l=γg-lcosγs-l、γg-l分别为固-气、其中γs-g、固-液和液-气

界面张力。

1　常用测量方法

通常接触角的测量基于Young方程,必须满足条件:(1)固体表面是刚性的、均匀的、光滑的。(2)固体表面是惰性的,没有膨胀和化学反应。

接触角是客观存在的,可采用多种方法进行测量,大致可分为三类:量角法、测高法和测重法。111　角度测量法

最直观的方法就是根据定义测量接触角θ,直接观测固体表面上的平衡液滴或附着于固体表面上气泡的外形;观测者从三相交界点处,人为地作气液界面切线,精确度较差。112　液滴最大高度法

液滴最大高度法是将液体滴在固体表面上形成液滴,不断增加液滴量,当液体高度达一最大值,继续增加液量,只会扩大固液界面面积,在均匀的固体

[2]

表面上,将形成固定高度的圆形“液饼”。该法具

有较高的测量精度,接触角θ通过下式计算:

θ2

γl-g)cos=1-(ρhm/2

hm为液滴最大高度,为重力加速度,ρ为液体密度,γl-g为液体的表面张力。113　粉体接触角的测量

将粉体压成多孔粉末柱体,颗粒间隙视为平均等效半径为r的一束毛细管柱,可润湿液体通过毛细作用渗入粉体柱,在t时间内渗入的高度h可用

[3]

Washburn方程描述:

θ2

γtr(cos/2η)h=c

η分别为液体的表面张力和粘度,r为粉体式中γ、

毛细管柱的平均等效半径,c为毛细管因子。

r值无法直接测定,通常采用一已知表面张力、粘度,且θ=0°的液体,先测其t-h的关系,求出该粉体柱的cr值(即仪器常数),再测定某液体通过相同粉体柱的t-h关系,计算该液体在粉体上的接触角θ。

2　接触角测量方法的发展

Young方程只适用于纯液体,对含表面活性剂的溶液或液体混合物不适用;多数固体表面不能满足Young方程平衡条件。211　纯液体接触角的测定

采用固着液滴法测量接触角,不仅有人为误差,

[4]

液滴直径变化也影响测量准确性。Katoh等提出运用液体弯液面的几何不稳定性测量固-液界面接

触角。

收稿日期:2005-12-2

作者简介:臧红霞(1970～),女,讲师,从事精细化研究学品　E-mail:hongxiazang@yahoo1com1cn

　　　　　　　　　　　　　　　　　福建分析测试　　　　技术交流48

2006,15(2)

图1　圆柱体弯液面平衡示意图

取一个圆柱体(平板)作为测试固体,水平放入液体中,再慢慢提起来,在柱体下面两侧形成一对二维弯液面,当柱体上升至某一临界高度时,两个弯液面最窄的部分相互接触,弯液面破裂。在临界高度HBer与接触角θ之间存在一定关系:

θ)HBer=√2sin(θA/2)(A<90°

φ0)(θ)HBer=√2sin[(θ〗-R(1-cosA-θ0)/2A≥90°采用Wilhelmy平板,粉体通过胶水粘附在板面

上,以5mm/min的速度浸入待测液体,液体沿板面上升。当毛细上升速度比平板位移速度快时,存在液体平衡。从极细到极大的粉体颗粒,该测量法都能适用。214　非理想表面的接触角

轴对称液滴形状分析剖面图依据Young-La2place方程,通过轴对称弯液面形状来测定液体流动

[7]

界面张力和接触角。

轴对称液滴形状直径分析法运用牛顿迭代算法,通过表面张力、固着液滴直径和体积计算接触角,广泛用于非理想或强亲水性表面,例如细胞层、石头、木材及牙质物等。215　旋转体表面的接触角

纺织、化妆品行业需要测量纤维表面与油水界面接触角。将疏水纤维浸入一大口杯中,杯底有水层和油层,录像机倒放,将毛细上升剖面图进行适当的坐标变换,转变为毛细下降剖面图,利用计算机进行数据图像分析处理,能够准确测量纤维表面与液体界面的接触角。3　接触角测量的影响因素

固液界面扩大与缩小情况下测得接触角是不同的,前者称为前进接触角θA;后者称为后退接触角θR,分别反映了液体的吸附和滞留;θA>θR,其差值(θ粗糙A-θR)称滞后接触角。固体表面均匀度、度、憎水性、含水量、吸附杂质等都可能导致接触角滞后;物质的特性、重力、温度、个人偏差等都有不同程度的影响。

参考文献

图2　毛细上升法测定纯液体接触

)角(θ<90°

[1]宋世谟,王正烈,李文斌1物理化学(下册)[M]1北京:

高等教育出版社,1995:145-1461

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量测试,1994,3:36-411

[3]艾德生,李庆丰,戴遐明1超细白云石矿粉润湿接触角的测定[J]1岩矿测试,2001,20(2):97-991

[4]K1Katoh,Y1Tsao1Anewmethodformeasuringcontactangle

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[5]D1Y1Kwok,C1J1Bubziak1Measurementsofstaticandlow

ratedynamiccontactanglesbymeansofanautomatedcap2illaryrisetechnique[J]1Neumann1Journalofcolloidandinterfacescience11995,173:143-1501

[6]F1Civan1Modelforinterpretationandcorrelationofcontact

anglemeasurements[J]1Journalofcolloidandinterfacescience11997,192:500-5021

[7]D1Y1Kwok,A1W1Neumann1Contactanglemeasurement

andcontactangleinterpretation[J]1AdvancesinColloidandInterfaceScience,1999,81:167-2491

Kwok等利用自动毛细上升法,测量纯液体的静

态或低速动力学接触角。

取一块宽度较大平板,垂直浸入液体中,平板两

μm的铂丝,测量铂丝顶边分别附有两根直径为50

部及其液面下的映像位置,通过仪器进行分析和处理,测得接触角,该方法适用于θ<90°的情况。212　含表面活性物质的液体

[6]

Englander研究空气中湿玻璃表面的脱水问题,提供了一种数据关联方法:

θn

υcos=m+a

其中υ-被去除物质的表面吸附率,m、n、a-经验确定系数。213　粉体的动态接触角

在粉体的加工过程中,通常要测量粉体的动态接触角。

[5]