接触角原理概述.doc

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1、实验项目：用接触角测量仪测量材料表面的接触角一．实验目的：1．认识和掌握接触角测量仪测量材料表面的接触角的基本原理2．熟悉接触角测量仪JC2000D1的操作技术二．实验内容：1．掌握JC2000D1型接触角测量仪的工作原理和操作步骤2．测量几种材料的表面接触角三．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的空间时，由于界面张力的存在而呈圆球状。但是，当液滴与固体平面接触时，其最终形状取决于液滴内部的内聚力

2、和液滴与固体间的粘附力的相对大小。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的液滴存在，接触角通俗地说，就是液滴在固体表面自然形成的半圆形态相对于固体平面的外切线，如图1所示。接触角的应用非常广泛，甚至可以说涉及到身边的每个细节，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的油漆永不脱落。其他比如农药和蔬菜叶面；涂料和内外墙面，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

3、固体平面上处于平衡位置时，这些界面张力在水平方向上的分力之和应等于零，即γS/A=γS/L+γL/Acosθ(1)式中γS/A、γL/A、γS/L 分别为固-气、液-气和固-液界面张力；θ为液体与固体间的界面和液体表面的切线所夹（包含液体）的角度，称为接触角（contact angle），θ在0°-180°之间。接触角是反应物质与液体润湿性关系的重要尺度，θ＝90°可作为润湿与不润湿的界限，θ<90°时可润湿，θ>90°时不润湿。2．润湿润湿(wetting)的热力学定义是，若固体与液体接触后体系（固体和液体）的自由

4、能G降低，称为润湿。自由能降低的多少称为润湿度，用WS∕L来表示。润湿可分为三类：粘附润湿（adhesional wetting）、铺展润湿（spreading wetting）和浸湿（immersional wetting）。可从图2看出。图2三类润湿（1） 粘附润湿 如果原有的1m2固面和1m2液面消失，形成1m2固-液界面，则此过程的WAS/L为： WAS/L＝γS/A＋γL/A-γS/L（2）（2） 铺展润湿 当一液滴在1m2固面上铺展时，原有的1m2固面和一液滴（面积可忽略不计）均消失，形成1m2液面和1m

5、2固－液界面，则此过程的WSS/L为： WSS/L＝γS/A-γL/A-γS/L（3）（3） 浸湿 当1m2固面浸入液体中时，原有的1m2固面消失，形成1m2固－液界面，则此过程的WIS/L为： WIS/L＝γS/A-γS/L（4）对上述三类润湿，γS/A和γS/L无法测定，如何求WS/L？分别讨论如下：（1）粘附润湿 将（1）式代入（2）式，可得：WAS/L＝γL/A（1+cosθ）（5） 因液体表面张力γL/A为已知，故只需测定接触角θ即可求出WAS/L。 （2）铺展润湿 将（1）式代入（3）式，可得：WSS/L

6、＝γL/A（cosθ－1） 因cosθ≤1，故WSS/L≤0。但WS/L是自由能降低，结果表示可以有一个自由能增加或不变的自发过程。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θ＝0°，而在此情况下根本没有接触角。θ＝0°的正确理解应是有一个角，恰好等于0°。 设有固体与压力逐渐增加的蒸气接触以吸附此蒸气，当压力达到饱和蒸气压P0时，固面上即有一层极薄的液体。由Gib

7、bs吸附原理知，表面自由能降低＝RT0P0ΓdlnP.因此，WSS/L＝γS/A-γL∕A-γS∕L=RT0P0ΓdlnP(6)③浸湿 将式（6）中的γL/A去掉，即得WIS/L：  WIS/L＝γS/A-γS∕L=RT0P0ΓdlnP(7)由（5）式可知，当θ＝0°时，cosθ＝1，WAS/L＝2γL∕A，自由能降低为最大，则认为固体完全被液体润湿；当θ＝180°时，cosθ＝-1，WAS/L＝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。这种情况是理想的，因为液体与固体之间多少有一些相互吸引力存在。3

8、．接触角的测定对于理想的平固体表面，当液滴在表面达平衡后。只有一个符合Young方程的接触角。但实际固体表面是非理想的，因而会出现滞后现象，致使接触角的测量往往很难重复。但经过精心制备和处理的表面，有可能得到较重复的数据，特别是高分子的表面。表面的制备和处理的目的是要得到较光滑、干净的理想表面，但具体的手续因样品而异，这里不作更多的介绍。这里主