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接觸角測量的方法和應用

更新時間:2023-02-02瀏覽:1212次

   在做接觸角測試時,科學指南針檢測平臺工作人員在與很多同學溝通中了解到,好多同學對接觸角測量不太了解,針對此,科學指南針檢測平臺團隊組織相關同事對網上海量知識進行整理,希望可以幫助到科研圈的伙伴們;

  接觸角是指當一液體與固體表面相接觸時,液體在與固體表面相接觸(點)處(三相接觸邊界,3PCP)其液/氣-界面形狀走向的切線與固體表面(包括液體相一側)之間的夾角。這一角度的值標志著液體在固體表面的潤濕性:當潤濕性很好時,液體可以在固體表面鋪展開,呈現0°的接觸角值;當潤濕性很差時,液體在固體表面無法鋪展,只能聚集在一起而包成一團,呈現180°的接觸角值;當潤濕性界于很好與很差之間時,液體在固體表面可以有限度地鋪展開來,形成介于0°~180°之間的接觸角。這一有限的接觸角值是體系中各個不同的相互作用力的平衡,也是體系趨向低能量的結果。涉及的相互作用力包括。
  1.液體自身的表面張力(γL):這一值越大,液體越傾向于聚集在一起、包成一團,而不愿意在固體表面上鋪展開來;
  2.固體自身的表面張力或表面(自由)能(γS):這一值越大,固體表面的能量位越高,越希望有能量較低的液體層能夠在其上面鋪展開來而覆蓋它,以降低體系的能量;
  3.液體/固體表面-界面的相互作用力(γSL):這一值越小,固體表面對液體的吸引力越大,液體越能夠在其上面鋪展開來,導致較低的接觸角值。
  所以,如果希望液體能夠較好地潤濕固體表面:液體的表面張力值越低、固體的表面能值越高、液體/固體表面-界面的相互作用力越強就越有利。
  反之,如果希望液體最好不要潤濕固體表面:液體的表面張力值越高、固體的表面能值越低、液體/固體表面-界面的相互作用力越弱就越有可能。
  如果假設液體的表面張力值(γL)是已知的(這一值可以直接測量,所以比較容易準確獲得);如果再假設,γSL與γS、γL之間存在某一確定的依賴關系,如γSL=f(γS,γL)
  那么接觸角的值θ,與這些相互作用力之間的關系,可以表達為:θ=g(γS,γL,γSL)=g(γS,γL,f(γS,γL))=h(γS,γL)
  也就是說,接觸角的值與液體表面張力和固體表面能有關(上式中的f,g和h均表示一定的函數/依賴關系)。當前者給定時,其值直接與固體表面能相關。所以測量所使用的液體也被稱為探針液體(probe),通過測量它在固體表面的接觸角值,可以用來探測固體表面的表面能值,也即固體表面的潤濕屬性,而這也正是接觸角測量之應用基礎。
  接觸角值的測量目前有二種常用的方法:基于稱量的Modified Wilhelmy Plate方法和基于液面(liquid meniscus)形狀分析的光學法。前者屬于間接的方法,后者屬于直接方法。

 

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