接觸角定義

浸潤角是指在固、液、氣三相交界處，自固-液界面經(jīng)過液體內(nèi)部到氣-液界面之間的夾角稱為接觸角，又稱浸潤角。液體對固體的浸潤程度不同，如一滴水在干凈的玻璃上會浸潤而攤開;而一滴水如果在蠟質(zhì)平面上則會保持水珠狀態(tài)為不浸潤。浸潤和不浸潤并不是兩極關(guān)系而是一個(gè)可以量化的量，量化的參數(shù)就是浸潤角。

接觸角測量儀原理

恒壓下，當(dāng)一液體放置在固體平面上時(shí)，液滴能自動地在固體表面鋪展開來，或以與固體表面成一定接觸角的液體存在。

接觸角測試儀，主要用于測量液體對固體的接觸角，即液體對固體的浸潤性，可以測量各種液體對各種材料的接觸角，如塊狀材料、纖維材料、紡織材料等，粉末樣品在壓片后也可測量。

表達(dá)式：

應(yīng)用范圍

納米材料科學(xué)與工程已經(jīng)成為世界性的研究熱點(diǎn)，在研究納米材料的表面改性時(shí)，往往要涉及潤濕接觸角這個(gè)概念。對石油、印染、醫(yī)藥、噴涂、選礦等行業(yè)的科研生產(chǎn)有非常重要的作用，尤其在材料表面改性研究方面的應(yīng)用比較突出。

測試方法

①測試方式：座滴法

②接觸角分析方法：高寬法、楊拉普拉斯法、橢圓法、錐切法、圓法

③拍攝圖像方法：單張拍攝

④接觸角測試范圍：0<θ<180°

⑤測試分辨率：0.01°

⑥測試精度： 0.1°

具體操作如下：

1、在瓶口的微量進(jìn)樣針中加入待測液體(注意排空氣泡)

2、啟動測試設(shè)備，設(shè)備自動將一滴液體滴在待測固體表面，成像系統(tǒng)將固體表面的液體投影到屏幕上，并立即凍結(jié)圖像，然后直接用軟件測量切線與相界面的夾角，直接測量出接觸角度的大小。

3、移動測試平臺，在未經(jīng)測試的固體表面，重復(fù)上述操作，一般平行測試3-6個(gè)接觸角，取平均值。

應(yīng)用案例（代表性圖譜展示）

測量液體在各種材料表面的鋪展、滲透、吸收等潤濕行為，測量靜態(tài)接觸角、靜態(tài)接觸角、測量分析固體的表面自由能、液體的界面和表面張力、全自動注射系統(tǒng)、前進(jìn)角/后退角等全面功能。

案例一

案例二

將水、乙醇滴在待測基材表面，當(dāng)液滴接觸界面時(shí),開始記時(shí),15S凍結(jié)圖像,測量接觸角測試5次，取平均值。

樣品對水的接觸角測試圖

樣品對乙醇的接觸角測試圖

測試結(jié)果如下：

案例三

液體表/界面張力與表面能

界面是指兩相接觸的約幾個(gè)分子厚度的過渡區(qū)，常見的兩相界面有:氣一液界面、氣一固界面、液一液界面、固一液界面和固一固界面。任何不相溶兩相間的張力叫界面張力。

‌表面張力‌：液體表面分子因受力不均產(chǎn)生的收縮力，宏觀表現(xiàn)為單位長度上的力(單位：N/m)，或單位表面積的能量(單位：J/m²)‌。

如同液體表面張力為氣體與液體間的界面張力一樣，固體表面自由能為氣體與固體間界面張力的一般定義，即在一定溫度和壓力下，形成單位新面積時(shí)外力所做的可逆功，是固體比表面吉布斯(Gibbs)自由能的簡稱。

‌表面能‌：固體表面原子因配位不飽和而具有的過剩能量，通常與表面張力數(shù)值相等，但本質(zhì)不同(前者為固體屬性，后者為液體屬性)‌。

表面能決定了接觸角和粘接力

把一滴水滴在材料表面，會出現(xiàn)一個(gè)“接觸角”：

表面能高 → 液體鋪展得開 → 接觸角小

表面能低 → 液體蜷縮成滴 → 接觸角大

潤濕是粘接的前提，決定了膠黏劑能不能鋪展到整個(gè)表面。

高表面能液體不能潤濕低表面能固體;液體與固體表面能越接近，潤濕性越差;在同一固體上，波體的表面能越高，潤濕性越差;同一液體在表面能大的固體表面潤濕性好。

接觸角的測量原理基于表面張力和界面張力的平衡，其大小受到表面張力和固體表面的性質(zhì)影響。如果液體分子與固體表面分子之間的相互作用較強(qiáng)，液體將更容易展開在固體表面上，接觸角就會變小，潤濕性更強(qiáng)，表示材料表面越親水;反之，如果相互作用較弱，接觸角就會變大，潤濕性較差，則材料表面越疏水。

當(dāng)θ＜90°時(shí)，我們稱固體表面為親水表面，如下圖中左側(cè)示意;

當(dāng)θ>90°時(shí)，我們稱固體表面為疏水表面，如下圖中右側(cè)示意;

在假設(shè)固體表面為各向同性、均質(zhì)、平坦的條件下，可以根據(jù)三相接觸點(diǎn)處的受力平衡，寫出接觸角表達(dá)式如下：

如果表面粗糙，定義粗糙因子R_f為固體表面真實(shí)表面積與投影面積之比，計(jì)算公式如下：

則粗糙因子對于接觸角影響如下：

因?yàn)镽_f是一個(gè)大于1的數(shù)，所以針對一個(gè)親水表面，粗糙會使其更加親水;針對一個(gè)疏水表面，粗糙會使其更加疏水。

但是這個(gè)分析還有一定局限性在于對于表面粗糙狀態(tài)的表面僅通過面積之比，缺少更加復(fù)雜的表面形貌等信息，那些也會對接觸角帶來顯著的影響。

表面張力與表面能‌：在純液體中兩者數(shù)值相等，但概念不同。表面張力是力學(xué)描述，表面能是熱力學(xué)描述‌。