液固界面接触角的测量实验

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1、液-固界面接触角测量实验一、实验目的1、了解固体表面的润湿过程与接触角的含义与应用2、了解接触角的常用测量方法，掌握该实验中用到的量高法与量角法的原理3、掌握JC2000C1接触角测量仪的使用方法4、分析实验数据误差的来源与影响接触角的因素二、实验原理润湿是自然界和生产过程中常见的现象。通常将固-气界面被固-液界面所取代的过程称为润湿。将液体滴在固体表面上，由于性质不同，有的会铺展开来，有的则粘附在表面上成为平凸透镜状，这种现象称为润湿作用。前者称为铺展润湿，后者称为粘附润湿。如水滴在干净玻璃板上可以产生铺展润湿

2、。如果液体不粘附而保持椭球状，则称为不润湿。如汞滴到玻璃板上或水滴到防水布上的情况。此外，如果是能被液体润湿的固体完全浸入液体之中，则称为浸湿。上述各种类型示于图1。图1各种类型的润湿当液体与固体接触后，体系的自由能降低。因此，液体在固体上润湿程度的大小可用这一过程自由能降低的多少来衡量。在恒温恒压下，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的液滴存在，如图2所示。图2接触角假定不同的界面间力可用作用在界面方向的界面张力来表示，则当液滴在固体平面上处于平衡位置时，这些

3、界面张力在水平方向上的分力之和应等于零，这个平衡关系就是著名的Young方程，即：γSV-γSL=γLV·cosθ(1)式中γSV，γLV，γSL分别为固-气、液-气和固-液界面张力；θ是在固、气、液三相交界处，自固体界面经液体内部到气液界面的夹角，称为接触角，在0o-180o之间。接触角是反应物质与液体润湿性关系的重要尺度。接触角是表征液体在固体表面润湿性的重要参数之一，由它可了解液体在一定固体表面的润湿程度。接触角测定在防腐、减阻、矿物浮选、注水采油、洗涤、印染、焊接等方面有广泛的应用。决定和影响润湿作用和接

4、触角的因素很多。如，固体和液体的性质及杂质、添加物的影响，固体表面的粗糙程度、不均匀性的影响，表面污染等。原则上说，极性固体易为极性液体所润湿，而非极性固体易为非极性液体所润湿。玻璃是一种极性固体，故易为水所润湿。对于一定的固体表面，在液相中加入表面活性物质常可改善润湿性质，并且随着液体和固体表面接触时间的延长，接触角有逐渐变小趋于定值的趋势，这是由于表面活性物质在各界面上吸附的结果。接触角测量方法可以按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。按照测量时三相接触线的移动

5、速率,可分为静态接触角、动态接触角(又分前进接触角和后退接触角)和低速动态接触角。按照测试原理又可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。其中，液滴角度测量法是最常用的，也是最直截了当的一类方法。它是在平整的固体表面上滴一滴小液滴，直接测量接触角的大小。为此，可用低倍显微镜中装有的量角器测量，也可将液滴图像投影到屏幕上或拍摄图像再用量角器测量，这类方法都无法避免人为作切线的误差。量高法的测量原理：当1滴液体的体积小于6µL时，可忽略地球引力对其形状的影响，认为液滴呈标准圆的一

6、部。如图3所示，只要测量液滴在固体表面上的高度h以及与固体接触面的直径2r，就可用式(2)计算出接触角。（2）图3量高法测接触角量角法的测量原理：1)将等腰直角量角器的a、b两边下移，直到使角量角器的a、b两边分别和液滴相切；2)然后继续垂直下移等腰量角器，直到量角器的顶点和液滴边缘相交于点C，从而确定液滴的最高点C的坐标；3)最后绕着C点逆时针转动，转动δ角度，直到a边和液滴一气体一材料三相交点A相交时，如图4所示，即可求出θ。θ=2β，又因为β=δ+45º，所以有θ=90º+2δ，只要知道量角器AC边转过的角

7、度，就可以计算出接触角θ。当接触角θ>90。时，量角器的AC边逆时针旋转，取正值，当接触角θ<90。时，量角器的AC边顺时针旋转，取负值。图3量角法测接触角本实验所用的仪器JC2000C1接触角测量仪就可采取量角法和量高法这两种方法进行接触角的测定。三、仪器与材料仪器：JC2000C1接触角测量仪实验材料：玻璃表面，聚四氟乙烯表面四、实验要求每个基底，在3个不同位置测量，每个位置测量1次，每次测量用直接测量法，量角法，自动量高法，手动量高法获得接触角数据。五、实验步骤(1)开机。将仪器插上电源，打开电脑，双击桌面

8、上的JC2000C1应用程序进入主界面。点击界面右上角的活动图象按钮，这时可以看到摄像头拍摄的载物台上的图象。(2)调焦。将进样器或微量注射器固定在载物台上方，调整摄像头焦距到0.7倍（测小液滴接触角时通常调到2倍～2.5倍），然后旋转摄像头底座后面的旋钮调节摄像头到载物台的距离，使得图象最清晰。(3)加入样品。可以通过旋转载物台右边的采样旋钮抽取液体，也可以用微量注射器