接觸角定義

浸潤(rùn)角是指在固、液、氣三相交界處，自固-液界面經(jīng)過(guò)液體內(nèi)部到氣-液界面之間的夾角稱為接觸角，又稱浸潤(rùn)角。液體對(duì)固體的浸潤(rùn)程度不同，如一滴水在干凈的玻璃上會(huì)浸潤(rùn)而攤開;而一滴水如果在蠟質(zhì)平面上則會(huì)保持水珠狀態(tài)為不浸潤(rùn)。浸潤(rùn)和不浸潤(rùn)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(rùn)角。

接觸角測(cè)量?jī)x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(dòng)地在固體表面鋪展開來(lái)，或以與固體表面成一定接觸角的液體存在。

接觸角測(cè)試儀，主要用于測(cè)量液體對(duì)固體的接觸角，即液體對(duì)固體的浸潤(rùn)性，可以測(cè)量各種液體對(duì)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(cè)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(rùn)濕接觸角這個(gè)概念。對(duì)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(cè)試方法

①測(cè)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：?jiǎn)螐埮臄z

④接觸角測(cè)試范圍：0<θ<180°

⑤測(cè)試分辨率：0.01°

⑥測(cè)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(cè)液體(注意排空氣泡)

2、啟動(dòng)測(cè)試設(shè)備，設(shè)備自動(dòng)將一滴液體滴在待測(cè)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(cè)量切線與相界面的夾角，直接測(cè)量出接觸角度的大小。

3、移動(dòng)測(cè)試平臺(tái)，在未經(jīng)測(cè)試的固體表面，重復(fù)上述操作，一般平行測(cè)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(cè)量液體在各種材料表面的鋪展、滲透、吸收等潤(rùn)濕行為，測(cè)量靜態(tài)接觸角、靜態(tài)接觸角、測(cè)量分析固體的表面自由能、液體的界面和表面張力、全自動(dòng)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(cè)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(cè)量接觸角測(cè)試5次，取平均值。

樣品對(duì)水的接觸角測(cè)試圖

樣品對(duì)乙醇的接觸角測(cè)試圖

測(cè)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(guò)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(zhǎng)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(jiǎn)稱。

‌表面能‌：固體表面原子因配位不飽和而具有的過(guò)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(huì)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(rùn)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(rùn)濕低表面能固體;液體與固體表面能越接近，潤(rùn)濕性越差;在同一固體上，波體的表面能越高，潤(rùn)濕性越差;同一液體在表面能大的固體表面潤(rùn)濕性好。

接觸角的測(cè)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(huì)變小，潤(rùn)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(huì)變大，潤(rùn)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(duì)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(duì)一個(gè)親水表面，粗糙會(huì)使其更加親水;針對(duì)一個(gè)疏水表面，粗糙會(huì)使其更加疏水。

但是這個(gè)分析還有一定局限性在于對(duì)于表面粗糙狀態(tài)的表面僅通過(guò)面積之比，缺少更加復(fù)雜的表面形貌等信息，那些也會(huì)對(duì)接觸角帶來(lái)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‌。