接触角原理概述.doc

实验项目:用接触角测量仪测量材料表面得接触角
一． 实验目得:
1.认识与掌握接触角测量仪测量材料表面得接触角得基本原理
2.熟悉接触角测量仪JC2000D1得操作技术
二.实验内容:
1.掌握JC2000D1型接触角测量仪得工作原理与操作步骤
2.测量几种材料得表面接触角
三.实验仪器,设备及材料
设备JC2000D1型接触角测量仪,蒸馏水,解玻片,食盐水,样品木板几个
四.基本原理概述
1.接触角定义及应用
当液滴自由地处于不受力场影响得空间时,由于界面张力得存在而呈圆球状。但就是,当液滴与固体平面接触时,其最终形状取决于液滴内部得内聚力与液滴与固体间得粘附力得相对大小。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得液滴存在,接触角通俗地说,就就是液滴在固体表面自然形成得半圆形态相对于固体平面得外切线,如图1所示。
接触角得应用非常广泛,甚至可以说涉及到身边得每个细节,我们希望汽车玻璃上不沾雨水,但反之我们希望汽车钢板上得油漆永不脱落。其她比如农药与蔬菜叶面;涂料与内外墙面,绝缘材料,纳米材料表面化改性等等,从教学科研工农业生产到日常生活。

图1 接触角
假定不同得界面间力可用作用在界面方向得界面张力来表示,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得分力之与应等于零,即
(1)
式中、、 分别为固气、液气与固液界面张力;为液体与固体间得界面与液体表面得切线所夹(包含液体)得角度,称为接触角(contact angle),在之间。接触角就是反应物质与液体润湿性关系得重要尺度,可作为润湿与不润湿得界限,时可润湿,
时不润湿。
2. 润湿
润湿(wetting)得热力学定义就是,若固体与液体接触后体系(固体与液体)得自由能G降低,称为润湿。自由能降低得多少称为润湿度,用来表示。润湿可分为三类:粘附润湿(adhesional wetting)、铺展润湿(spreading wetting)与浸湿(immersional wetting)。可从图2瞧出。

图2 三类润湿
(1) 粘附润湿 
如果原有得1固面与1液面消失,形成1固液界面,则此过程得为: 
(2)
(2) 铺展润湿 
当一液滴在1固面上铺展时,原有得1固面与一液滴(面积可忽略不计)均消失,形成1液面与1固－液界面,则此过程得为: 
(3)
(3) 浸湿 
当1固面浸入液体中时,原有得1固面消失,形成1固－液界面,则此过程得为: 
(4)
对上述三类润湿,与无法测定,如何求？分别讨论如下:
(1)粘附润湿 
将(1)式代入(2)式,可得: (5) 
因液体表面张力为已知,故只需测定接触角即可求出。
 (2)铺展润湿 
将(1)式代入(3)式,可得: 
因≤1,故≤0。但就是自由能降低,结果表示可以有一个自由能增加或不变得自发过程。这显然违反热力学第二定律。错误在于误用了(1)式,此式只适用于平衡态。若液滴自动铺展以完全盖住固面,这就表示液滴与固面不成平衡态,所以不能将(1)式代入(3)式中。这里应该指出,不能将铺展润湿认为,而在此情况下根本没有接触角。得正确理解应就是有一个角,恰好等于。 
设有固体与压力逐渐增加得蒸气接触以吸附此蒸气,当压力达到饱与蒸气压时,固面上即有一层极薄得液体。由Gibbs吸附原理知,表面自由能降低＝、因此,
(6)
③浸湿 
将式(6)中得去掉,即得:  
(7)
由(5)式可知,当时,＝1,＝,自由能降低为最大,则认为固体完全被液体润湿;当时,＝1,＝0,自由能降低为0,则固体完全不被液体润湿,即完全不润湿。这种情况就是理想得,因为液体与固体之间多少有一些相互吸引力存在。
3. 接触角得测定
对于理想得平固体表面,当液滴在表面达平衡后。只有一个符合Young方程得接触角。但实际固体表面就是非理想得,因而会出现滞后现象,致使接触角得测量往往很难重复。但经过精心制备与处理得表面,有可能得到较重复得数据,特别就是高分子得表面。表面得制备与处理得目得就是要得到较光滑、干净得理想表面,但具体得手续因样品而异,这里不作更多得介绍。这里主要介绍一些常用得接触角测定方法,它们都就是针对气—液—固体系得接触角而设计得。但其中有些方法,只需略加修改,亦适用于液—液—固体系接触角得测定。
1)量角法
液滴角度测量法就是测量接触角得最常用得方法之一,如图F3(a,b)所示。该方法就是将固体表面上得液滴,或将浸入液体中得固体表面上形成得气泡投影到屏幕上,然后直接测量切线与相界面得夹角,直接测量接触角得大小。

(a)停滴 (b)停泡
图3 量角法示意图

如果液体蒸气在固体表面发生吸附,影响固体得表面自由能,则应把样品放入带有观察窗得密封箱中,待体系达平衡后再进行测定。此法得优点就是:样品用量少,仪器简单,测量方便。准确度一般在左右。
2） 量高法
如果液滴很小,重力作用引起液滴得变形可以忽略不计,这时得躺滴可认为就是球形得一部分,如图4所示。接触角可通过高度得测量按下式计算:
(8)
式中h就是液滴高度,d就是滴底得直径。若液滴体积小于mL,此方法可用。若接触角小于,则液滴稍大亦可应用。

图4 量高法示意图
液滴在纤维上得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得夹角。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就是非理想得,或大或小总就是会出现接触角滞后现象.因此,需同时测定前进角与后退角。对于躺滴法,可用增减液滴体积得办法来测定。增加液滴体积时测出得就是前进角,如图5(a)所示;减少液滴体积时为后退角,如图5(b)所示。

(a)前进角 (b)后退角
图5 前进角与后退角得测定方法
为了避免增减液滴体积时可能引起液滴振动与变形,在测定时可将改变液滴体积得毛细管尖端插入液滴中,尖端插入液滴不影响接触角得数值。 
决定与影响润湿作用与接触角得因素很多。如,固体与液体得性质及杂质、添加物得影响,固体表面得粗糙程度、不均匀性得影响,表面污染等。对于一定得固体表面,在液体液相中加入表面活性物质常可改善润湿性质,并且随着液体与固体表面接触时间得延长,接触角有逐渐变小趋于定值得趋势,这就是由于表面活性物质在各界面上吸附得结果。
五.实验步骤:
(1) 量高法测接触角得实验步骤
1． 连接进样泵;
2． 点击活动图象;
3． 旋转平台上旋钮找到液滴;
4． 上移平台使液滴接触到;
5． 下移平台,分离液滴与进样管
6． 冻结图象
7.点文件菜单—保存图片
8.点基准线,调整基准线完了点确定
9.用量高法测接触角,鼠标对着图片里面,三相接触得左,右及顶端各点标志,接触角测出。
(2) 量角法测接触角实验步骤
1． 按量角法按钮,进入量角法主界面,
2． 按开始键,打开文件夹,选中需要计算得图形文件
3． 量角器精度:选择0、05与0、25两个精度之一
4． 量取角度:显示测量角
5． W:测量尺向上,S:测量尺向下,A:测量尺向右,D:测量尺向左,
〈:测量尺左旋,〉:测量尺右旋。
6． 一般选左测量角,如果选右边测量角则点补角修正
六.数据处理
1.量高法测量得接触角
蒸馏水与平板玻璃

蒸馏水与木板1

食盐水与平板玻璃

2.量角法测量测接触角
蒸馏水与平板玻璃

蒸馏水与木板1

食盐水与平板玻璃

七.思考题:
1.材料表面与水得接触角得大小反映了材料表面得什么性能？
注意事项
平衡时间与体系温度得恒定。当体系未达到平衡时,接触角会变化,这时得接触角称为动态接触角,动态接触角得研究对于一些粘度较大得液体在固体平面得流动或铺展有重要意义(因粘度大,平衡时间长)同时,对于温度变化较大得体系,由于表面张力得变化,接触角也会变化,因此,若一已基本达平衡得体系,接触角得变化,可能与温度变化有关。简单判断影响因素得方法就是,平衡时间得影响一般就是单方向得,而温度得波动可能造成γ得升高或降低。除平衡时与温度外,影响接触角稳定得因素还有接触角滞后与吸附得作用。