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接触角分析

概述

接触角(contact angle)是指在气、液、固三相交点处所作的气-液界面的切线,此切线在液体一方的与固-液交界线之间的夹角θ,是润湿程度的量度。

液体在固体材料表面上的接触角, 是衡量该液体对材料表面润湿性能的重要参数。通过接触角的测量可以获得材料表面固-液、固-气界面相互作用的许多信息。接触角测量技术不仅可用于常见的表征材料的表面性能, 而且接触角测量技术在石油工业、浮选工业、医药材料、芯片产业、低表面能无毒防污材料、油墨、化妆品、农药、印染、造纸、织物整理、洗涤剂、喷涂、污水处等领域有着重要的应用。

特点

若θ<90°,则固体表面是亲水性的,即液体较易润湿固体,其角越小,表示润湿性越好;若θ>90°,则固体表面是疏水性的,即液体不容易润湿固体,容易在表面上移动。至于是否液体能进入毛细管,这个还与具体液体有关,并非所有液体在较大夹角下完全不进入毛细管。
润湿过程与体系的界面张力有关。一滴液体落在水平固体表面上,当达到平衡时,形成的接触角与各界面张力之间符合下面的杨氏公式(Young Equation):
γ = γ + γ×cosθ
由它可以预测如下几种润湿情况:
1)当θ=0,完全润湿;
2)当θ<90°,部分润湿或润湿;
3)当θ=90°,是润湿与否的分界线;
4)当θ>90°,不润湿;
5)当θ=180°,完全不润湿。
毛细现象中液体上升、下降高度h。
h的正负表示上升或下降。
浸润液体上升,接触角为锐角;
不浸润液体下降,接触角为钝角。
上升高度h=2*表面张力系数/(液体密度*重力加速度g*液面半径R)。
上升高度h=2*表面张力系数*cos接触角/(液体密度*重力加速度g*毛细管半径r)。
润湿性问题与采矿浮选、石油开采、纺织印染、农药加工、感光胶片生产、油漆配方以及防水、洗涤等都有密切关系。

测量方法

1.切线法:常规方法,需手工切线,误差较大
2.圆法:也叫宽高法,θ/2法,利用三点拟合一个圆形(开放式存在,能更好的看清楚是否贴合在一起),从而计算出接触角度。适用于<20°角度的接触角测量。
3.椭圆法:当接触角度超过20度时,此时已不是一个常规的圆形,而近似一个椭圆形,椭圆法用五点拟合椭圆形,从而计算出接触角度。适用于>20° <120°角度测量。
4.Laplace-Young法:适用于>120°超疏水角度的测量。但是Laplace-Young法有一个缺点,就是图象一定要非常清晰和完整,需自动拟合,并且左右两边的角度要均匀。目前已经开发出微分圆法和微分椭圆法,此方法含扩(圆环法,椭圆法,Laplace-Young法)并能优化Laplace-Young法的不足之处。
5.量角法:
液滴角度测量法是测量接触角的最常用的方法之一,如图3(a,b)所示。该方法是将固体表面上的液滴,或将浸入液体中的固体表面上形成的气泡投影到屏幕上,然后直接测量切线与相界面的夹角,直接测量接触角的大小。
如果液体蒸气在固体表面发生吸附,影响固体的表面自由能,则应把样品放入带有观察窗的密封箱中,待体系达平衡后再进行测定。此法的优点是;样品用量少,仪器简单,测量方便。准确度一般在±1左右。
6.量高法:
如果液滴很小,重力作用引起液滴的变形可以忽略不计,这时的躺滴可认为是球形的一部分,如图4所示。接触角可通过高度的测量按下式计算:
式中h是液滴高度,d是滴底的直径。若液滴体积小于10mL,此方法可用。若接触角小于90,则液滴稍大亦可应用。
液滴在纤维上的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的夹角。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是非理想的,或大或小总是会出现接触角滞后现象。因此,需同时测定前进角和后退角。对于躺滴法,可用增减液滴体积的办法来测定。增加液滴体积时测出的是前进角,如图5(a)所示;减少液滴体积时为后退角,如图5(b)所示。
为了避免增减液滴体积时可能引起液滴振动和变形,在测定时可将改变液滴体积的毛细管尖端插入液滴中,尖端插入液滴不影响接触角的数值。

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。对于一定的固体表面,在液体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。

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