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探索接触角的奥秘:如何影响液体在固体表面的润湿性

更新时间:2024-03-06      点击次数:7189

一、定义

接触角是衡量液体对固体表面润湿性的一个指标。它是在气、液、固三相交界处,气-液界面的切线与固-液交界线之间的夹角。接触角的大小直接反映了液体在固体表面的润湿能力。

二、应用

接触角测量技术是一种精确的科学方法,它不仅能够对材料的表面性能进行详细的表征和分析,而且在多个关键行业中扮演着至关重要的角色。

1.石油工业:该技术用于评估油水界面的相互作用,从而优化勘探和开采过程。

2.浮选工业:通过接触角的精确测量,可以有效地控制和改进矿物的分离过程。

3.医药材料:接触角测量技术是研究药物与生物表面相互作用的重要工具,对于药物传递系统的设计具有重大意义。芯片产业利用此技术来确保晶圆表面的清洁度和均匀性,以保质保量的产出。

4.环境友好型材料的开发:低表面能无毒防污材料的研究依赖于接触角测量技术来评价其防污性能。在油墨和化妆品行业,该技术支持产品配方的优化,以确保理想的涂抹和附着特性。农药的研发也借助于接触角测量技术,以期提高活性成分在目标作物上的吸附效率。

5.印染工艺:通过接触角的控制,可以改善颜料在纤维上的固着率,而在造纸工业,它有助于提升纸张的品质。织物整理领域利用接触角测量技术来增强纺织品的亲水性或疏水性,以实现特定的功能性。洗涤剂的研制同样离不开接触角的精确测定,以确保最佳的清洁效果。

6.喷涂应用:该技术确保涂层的均一性和附着力,而在污水处理领域,接触角测量技术则用于优化固体颗粒的沉降和分离过程。

 



三、特点

在考虑液体与固体表面的相互作用时,接触角θ是判断表面润湿性的关键参数。若θ小于90°,则可判定该固体表面为亲水性,即液体能够较易地润湿固体。在此情况下,接触角越小,表明润湿性越佳。反之,若θ大于90°,则固体表面表现为疏水性,即液体不易润湿固体,并在表面上易于移动。

关于液体是否能进入毛细管,这不只取决于接触角的大小,还与特定液体的性质有关。即便在较大夹角的条件下,也并非所有液体都会完全排斥进入毛细管。

润湿过程与各相界面间的张力有着直接的联系。当一滴液体落在水平的固体表面上并达到平衡状态时,所形成的接触角与固/气、固/液、液/气三个界面之间的张力满足杨氏方程(Young Equation):γSV= γSL+ γLV×cosθe

根据杨氏方程,我们可以预测几种不同的润湿情形:

1.当θ=0°时,代表液体对固体的完全润湿;

2.当θ﹤90°时,液体对固体存在部分润湿或润湿现象;

3.当θ=90°时,它标志着润湿与不润湿的临界点;

4.当θ﹥90°时,液体不润湿固体;

5.当θ=180°时,液体完全不润湿固体。

在毛细现象中,液体上升或下降的高度h反映了毛细作用的强度,其中h的正负值分别对应着上升或下降。浸润液体上升时,接触角表现为锐角;而不浸润液体下降时,接触角则为钝角。

液体在毛细管中上升的高度h可通过以下公式计算:

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)。

 



四、测量方法

接触角的测量是表面化学和材料科学中的重要实验手段,用于评估液体与固体表面的相互作用。目前,测量接触角的方法主要有两种:一是外形图像分析法;二是称重法,后者亦称为润湿天平或渗透法接触角仪。在众多方法中,外形图像分析法因其应用广泛、测量值直接且准确而被广泛采用。

外形图像分析法的基础原理是将液体滴置于固体样品表面,通过显微镜头和相机捕捉液滴的外形图像。随后,利用数字图像处理技术及相应算法,从图像中计算出液滴的接触角。

接触角的计算通常基于特定的数学模型,如将液滴视为球体或圆锥体的一部分。通过测量特定参数,例如宽度/高度比,或通过直接拟合的方式,可以得出接触角的值。Young-Laplace方程则描述了封闭界面的内外压力差与界面曲率和界面张力之间的关系,它能够精确地描述轴对称液滴的外形轮廓,并据此计算出接触角。

对于纸张的接触角测量,可以参考Tappi T 558标准进行。而烟用纸张的接触角测量,则应依据中国制烟行业的行业标准YC/T 424-2011“烟用纸表面润湿性能的测定 接触角法”执行。

接触角的测量方法可以根据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。根据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(进一步细分为前进接触角和后退接触角)以及低速动态接触角。按测试原理划分,又可以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。

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