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润湿性、接触角及其测量

2018-01-26 09:15:07 苏州迈塔斯新材料科技有限公司 阅读

1) 液/固/气(流)三相体系

1) 液/固/气(流)三相体系

2) 杨氏方程(Young's equation)

2) 杨氏方程(Young's equation)

3) (荧光)水滴在不同表面上的形状

3) (荧光)水滴在不同表面上的形状

当把一液滴置于一固体表面上时,有可能出现以下几种情况之一:

· 液滴在固体表面完全铺展开,在其上面形成一液体薄膜。

· 液滴在固体表面部分铺展开,在其上面形成一较平坦的液滴。

· 液滴在固体表面几乎不发生铺展,只是“坐“在其上面而形成一高突的液滴。

润湿(wetting)是指在固体表面上一种液体取代另一种与之不相混溶的流体(气体或另一液体)的过程。 衡量一液体在某一固体表面的润湿性的好坏程度可通过接触角,它是液/气界面与固体表面之间(包括液体相部分)的夹角(见图3)。

在第一种情况下,接触角为0°,我们说这液体能完全润湿该固体表面;在第二种情况下,接触角大于0°但小于90°,我们说这液体能部分润湿该固体表面;在第三种情况下,接触角大于90°,我们说这液体不能润湿该固体表面。

对于一给定的液体/固体表面/大气(也可以是另一与液体互不相溶的流体相)三相体系,接触角应为一特定的值,它是由三相之间的相互作用,也即液/气、液/固和固/气界面,决定的,是体系本身追求最小总能量的结果。液滴在固体表面的形状是由Y-L方程决定的,而接触角则起到(方程解的)边界条件的作用。在理想的情况下接触角与三相间相互作用力的关系可用以下的杨氏方程式(Young's eq.)来描述:

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所以通过测量一液体在固体表面形成的液滴的接触角的大小,不但可衡量该液体对固体表面润湿性的好坏的程度,同时也能间接了解和获得液/固和固/气界面相互作用的信息和参数,因为它们无法直接测定(能直接测量的只有液/气或液/液间的相互作用参数)。

接触角的测量可通过角度量测仪(goniometer) 直接测定。除了这种直接测量法外,也可通过其他的间接测量法如通过测量液体施加/作用在固体表面的力(如Wilhelmy板/棒法),或通过测量液体在固体粉末或多孔物体中渗透的速度和渗入的量(如基于Washburn公式的天平称量法)。

接触角的范围和实例

物理上有意义的接触角的范围是0°~180°。接触角为0°时表示液体在固体表面完全铺展开,直到形成一单分子薄层(如果没有任何阻碍的话!)。 接触角在0°到30°之间表示液体对固体表面有很好的润湿性,能较好铺展开,这一范围对许多工艺过程都是很重要的,如油漆、涂料、清洗、粘结等。接触角在30°~90°之间表示液体对固体表面有一定的润湿性,但不是很好,而当接触角大于90°时,液体对固体表面已不呈现润湿性;当这一角度增加到约130°~140°,液体开始呈现对固体表面的排斥性(surface repellency)。 当接触角增加到150°以上时,液滴其实只是“坐”在表面上,一有机会就想离开表面,对表面呈现高度的排斥性。水滴在荷花叶面上的现象就属于这种情况,接触角大到约170°,被称为“荷花效应”(lotus effect),这类表面也常被称为超疏水表面(superhydrophobic surface),它们具有自清洗效果(self-cleaning),很有应用前景,所以是当前研究的一个热点。

4) 荷叶上的水滴

4) 荷叶上的水滴

同一体系的不同接触角

上面提到的Young氏方程式其实只适用于一液滴在光滑、化学均质、刚性、各项同性且无化学反应等相互作用的理想表面上。实际表面上接触角并非如Young方程所预示的取值唯一, 而是在相对稳定的两个角度之间变化,这种现象被称为接触角滞后现象(contact angle hysteresis)。上限为前进接触角θa,下限为后退接触角θr; 二者之差:

Δθ = θa - θr

定义为接触角滞后性。大量研究表明滞后现象可归因为表面粗糙性、化学多相和亚稳表面能量态。

实际表面的非理想性, 导致用Young接触角表征表面湿润性的传统做法不够完善, 还必须考虑接触角的滞后性,这样才能完整地表征,如表面的超疏水性,等特性。