全自動(dòng)型接觸角與楊氏方程

液體滴于固體表面上，隨著液體性質(zhì)的不同，液體或鋪展而覆蓋固體表面，或形成一液滴停于其上。如下圖所示。我們把液體與固體平面所形成的液滴的形狀用接觸角（contact angle）來描述。準(zhǔn)確的接觸角是在固、液、氣三相交界處，自固液界面經(jīng)液體內(nèi)

部到氣體界面的夾角，通常以θ來表示。接觸角是分析此式最早是T.Young在1805年提出的，常稱為楊氏方程。這是潤(rùn)濕的基本公式，亦稱為潤(rùn)濕方程，可以看作是三相交界處三個(gè)界面張力平衡的結(jié)果。此關(guān)系式適用于三相交界處固液、固氣界面共切線體系。具體應(yīng)用中，我們把接觸角大小作為評(píng)判潤(rùn)濕性的重要指標(biāo)。通常接觸角越小，潤(rùn)濕性也就越好。習(xí)慣上，我們把θ=90°定義為潤(rùn)濕與否的標(biāo)準(zhǔn)。我們把θ＞90°為不潤(rùn)濕；θ＜90°為潤(rùn)濕，平衡接觸角。

 接觸角的計(jì)算與測(cè)量方法

一. 接觸角的計(jì)算方法

對(duì)于理想的平面固體表面，當(dāng)液滴在表面達(dá)平衡后。只有一個(gè)符合Young方程的接觸角。但實(shí)際固體表面是非理想的，因而會(huì)出現(xiàn)滯后現(xiàn)象，致使接觸角的測(cè)量往往很難重復(fù)。但經(jīng)過精心制備和處理的表面，有可能得到較重復(fù)的數(shù)據(jù)，特別是高分子的表面。表面的制備和處理的目的是要得到較光滑、干凈的理想表面，但具體的工藝因樣品而異，這里不作更多的介紹。這里主要介紹一些常用的接觸角測(cè)定方法，它們都是針對(duì)氣—液—固體系的接觸角而設(shè)計(jì)的。但其中有些方法，只需略加修改，亦適用于液—液—固體系接觸角的測(cè)定。測(cè)定接觸角有多種方法，可根據(jù)直接測(cè)定物理量分為四類：⑴靜滴法（角度測(cè)量法）、⑵高度、長(zhǎng)度測(cè)量法⑶力測(cè)法⑷透過測(cè)量法。前三種適用于連續(xù)的平滑固體表面，后一種方法可用于粉末固體表面接觸角的測(cè)定。

（一）量角法

液滴角度測(cè)量法是測(cè)量接觸角的方法之一，如圖3（a，b）所示。該方法是將固體表面上的液滴，或?qū)⒔胍后w中的固體表面上形成的氣泡投影到屏幕上，然后直接測(cè)量切線與相界面的夾角，直接測(cè)量接觸角的大小。

圖3   量角法示意圖

如果液體蒸氣在固體表面發(fā)生吸附，影響固體的表面自由能，則應(yīng)把樣品放入帶有觀察窗的密封箱中，待體系達(dá)平衡后再進(jìn)行測(cè)定。此法的優(yōu)點(diǎn)是：樣品用量少，儀器簡(jiǎn)單，測(cè)量方便。準(zhǔn)確度一般在土1^o左右。

（二）量高法

如果液滴很小，重力作用引起液滴的變形可以忽略不計(jì)，這時(shí)的躺滴可認(rèn)為是球形的一部分，如圖4所示。接觸角可通過高度的測(cè)量按下式計(jì)算：

式中h是液滴高度，d是滴底的直徑。若液滴體積小于10^-4mL，此方法可用。若接觸角小于90^o，則液滴稍大亦可應(yīng)用。

圖4  量高法示意圖

液滴在纖維上的接觸角也可用量角法測(cè)量，把纖維水平拉直．置于樣品槽內(nèi)，然后投影到電腦屏幕，直接測(cè)定液滴與纖維表面的夾角。如果液滴很小，接觸角也可用量高法測(cè)量，通過式（8）來計(jì)算。

實(shí)際固體表面幾乎都是非理想的，或大或小總是會(huì)出現(xiàn)接觸角滯后現(xiàn)象．因此，需同時(shí)測(cè)定前進(jìn)角和后退角。對(duì)于躺滴法，可用增減液滴體積的辦法來測(cè)定。增加液滴體積時(shí)測(cè)出的是前進(jìn)角，如圖5(a)所示；減少液滴體積時(shí)為后退角，如圖5(b)所示。

                 （a）前進(jìn)角   （b）后退角

圖5   前進(jìn)角和后退角的測(cè)定方法

為了避免增減液滴體積時(shí)可能引起液滴振動(dòng)和變形，在測(cè)定時(shí)可將改變液滴體積的毛細(xì)管插入液滴中，插入液滴不影響接觸角的數(shù)值。

（三）儀器測(cè)量方法

1.接觸角多元化分析方式：全自動(dòng)擬合法，半自動(dòng)擬合法，手動(dòng)水平測(cè)量，手動(dòng)斜面測(cè)量；

2.多元化軟件計(jì)算方法：圓環(huán)擬合法(40度以下)；橢圓擬合法(40-120度)；Young-Lapalacer擬合法(120度以上)；

3.精準(zhǔn)的表面自由能計(jì)算：Fowks法，OWRK法，ZismanPlot法，EOS法（軟件中預(yù)裝部分液體數(shù)據(jù)庫(kù)，可擴(kuò)展）；

4.一鍵式軟件測(cè)量操作：【按空格鍵】--打開攝像頭；【按1鍵】--精準(zhǔn)的控制滴液；【按2鍵】--高精度的進(jìn)行全自動(dòng)測(cè)量；

5.不規(guī)則產(chǎn)品測(cè)量拓展：凹凸面測(cè)量，曲面測(cè)量，滾動(dòng)角測(cè)量,前進(jìn)角后退角測(cè)量，高溫接觸角測(cè)量；

6.高速拍照方式：單張/連續(xù)/錄像；錄像任意電影單張導(dǎo)出；錄像視頻可自動(dòng)快速測(cè)量；

7.細(xì)致化數(shù)據(jù)庫(kù)管理：導(dǎo)出Excel表格數(shù)據(jù) word圖片數(shù)據(jù)；圖片文字顯而易見。