胶体与表面化学 - 接触角技术

胶体与表面化学 Colloid and Surface Chemistry

综 述 题 目 接 触 角 技 术 学 生 姓 名 所 在 学 院 化学化工学院 专业及班级 完 成 日 期

胶体与表面化学学业综述

接触角技术

摘要：接触角作为材料表面润湿性能的重要参数之一，通过测量接触角可以获得材料表面固-液、固-气界面相互作用的许多信息。本文首先探讨了接触角测量的理论依据、常用方法、Young方程的适用范围以及接触角滞后的影响因素，然后详细介绍了接触角测量技术所取得的最新研究成果。最后对接触角测量方法的发展进行阐述，总结了接触角测量技术在石油工业、浮选工业、医药材料、芯片检测、无毒低表面能防污材料测试表征方面的应用，为扩大接触角测量技术在其它领域的应用提供一些启发。

关键词：接触角，测量，应用

0. 前言

接触角是指在气、液、固三相交点处所作的气-液界面的切线穿过液体与固-液交界线之间的夹角θ，是润湿程度的量度。

润湿是自然界和生产过程中常见的现象。通常将固-气界面被固-液界面所取代的过程称为润湿。将液体滴在固体表面上，由于性质不同，有的会铺展开来，有的则粘附在表面上成为平凸透镜状，这种现象称为润湿作用。前者称为铺展润湿，后者称为粘附润湿。如水滴在干净玻璃板上可以产生铺展润湿。如果液体不粘附而保持椭球状，则称为不润湿。如汞滴到玻璃板上或水滴到防水布上的情况。此外，如果是能被液体润湿的固体完全浸入液体之中，则称为浸湿。上述各种类型示于图1。

图1 各种类型的润湿

当液体与固体接触后，体系的自由能降低。因此，液体在固体上润湿程度的大小可用这一过程自由能降低的多少来衡量。在恒温恒压下，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的液滴存在，如图2所示。

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图2 接触角

假定不同的界面间力可以用作用在界面方向的界面张力来表示，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的分力之和应等于零，这个平衡关系就是著名的Young方程，即

γSG - γSL = γLG·cosθ (1)

式中γSG，γLG，γSL分别为固-气、液-气和固-液界面张力，θ是在固、气、液三相交界处自固体界面经液体内部到气液界面的夹角，称为接触角，在0o-180o之间。接触角是反应物质与液体润湿性关系的重要尺度。

在恒温恒压下，粘附润湿、铺展润湿过程发生的热力学条件分别是：

粘附润湿 Wa = γSG- γSL + γLG ≥0 (2) 铺展润湿 S = γSG - γSL - γLG ≥0 (3)

式中Wa，S分别为粘附润湿、铺展润湿过程的粘附功、铺展系数。

若将(1)式代入公式(2)、(3)，得到下面结果：

Wa=γSG+γLG-γSL=γLG (1+cosθ) (4) S=γSG-γSL-γLG=γLG (cosθ-1) (5)

以上方程说明，只要测定了液体的表面张力和接触角，便可以计算出粘附功、铺展系数，进而可以据此来判断各种润湿现象。还可以看到，接触角的数据也能作为判别润湿情况的依据。通常把θ＝90°作为润湿与否的界限，当θ＞90°，称为不润湿；当θ＜90°时，称为润湿，θ越小润湿性能越好；当θ角等于零时，液体在固体表面上铺展，固体被完全润湿。

接触角是表征液体在固体表面润湿性的重要参数之一，由它可了解液体在一定固体表面的润湿程度。接触角测定在矿物浮选、注水采油、洗涤、印染、焊接等方面有广泛的应用[1-3]。

决定和影响润湿作用和接触角的因素很多。如：固体和液体的性质及杂质、添加物的影响，固体表面的粗糙程度、不均匀性的影响，表面污染等。原则上说，极性固体易为极性液体所润湿，而非极性固体易为非极性液体所润湿。玻璃是一种极性固体，故易为水所润湿。对于一定的固体表面，在液相中加入表面活性物质常可改善润湿性质，并且随着液体和固体表面接触时间的延长，接触角有逐渐变小趋于定值的趋势，这是由于表面活性物质在各界面上吸附的结果。

接触角现有测试方法通常有两种：其一为外形图像分析方法；其二为称重法。后者通常称为润湿天平或渗透法接触角仪。但目前应用最广泛，测值最直接与准确的还是外

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形图像分析方法。外形图像分析法的原理为，将液滴滴于固体样品表面，通过显微镜头与相机获得液滴的外形图像，再运用数字图像处理和一些算法将图像中的液滴的接触角计算出来。

计算接触角的方法通常基于特定的数学模型如液滴可被视为球或圆椎的一部分，然后通过测量特定的参数如宽/高或通过直接拟合来计算得出接触角值。Young-Laplace方程描述了封闭界面的内、外压力差与界面的曲率和界面张力的关系，可用来准确地描述轴对称的液滴的外形轮廓，从而计算出其接触角。

1. 理论背景

液体与固体接触时的润湿情况有两种。第一种情况，液体完全润湿固体表面，即液-气(l-g)界面与固-液(s-l)界面之间的接触角为0°；第二种情况，液体部分润湿固体表面，即液体在固体表面形成液滴，呈现非零接触角。如图3所示，对于此种情况的宏观液滴，三相界面张力满足Young方程：

γs,g = γs,l + γg,l×cosθ

式中γ——界面张力，下标l，g和s 分别代表液相、气相和固相；

θ——接触角。

在学术上普遍认可的接触角定义是[4]：过三相接触点，向l-g界面做切线，l-g界面切线与s-l 界面之间的夹角，即为接触角。

图3 固体表面上的液滴

2. 接触角常见的测量方法

接触角测量方法可以按不同的标准进行分类。按照直接测量物理量的不同，可分为量角法、测力法、长度法和透过法。按照测量时三相接触线的移动速率，可分为静态接触角、动态接触角(又分前进接触角和后退接触角)和低速动态接触角。按照测试原理[5]又可分为静止或固定液滴法、Wilhemly板法、捕获气泡法、毛细管上升法和斜板法。下面按直接测量物理量的不同分类，对几种常用的接触角测量方法做简单地说明。[6]

2.1量角法

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