探索接觸角的奧秘：如何影響液體在固體表面的潤濕性

一、定義

接觸角是衡量液體對固體表面潤濕性的一個(gè)指標。它是在氣、液、固三相交界處，氣-液界面的切線(xiàn)與固-液交界線(xiàn)之間的夾角。接觸角的大小直接反映了液體在固體表面的潤濕能力。

二、應用

接觸角測量技術(shù)是一種精確的科學(xué)方法，它不僅能夠對材料的表面性能進(jìn)行詳細的表征和分析，而且在多個(gè)關(guān)鍵行業(yè)中扮演著(zhù)至關(guān)重要的角色。

1.石油工業(yè)：該技術(shù)用于評估油水界面的相互作用，從而優(yōu)化勘探和開(kāi)采過(guò)程。

2.浮選工業(yè)：通過(guò)接觸角的精確測量，可以有效地控制和改進(jìn)礦物的分離過(guò)程。

3.醫藥材料：接觸角測量技術(shù)是研究藥物與生物表面相互作用的重要工具，對于藥物傳遞系統的設計具有重大意義。芯片產(chǎn)業(yè)利用此技術(shù)來(lái)確保晶圓表面的清潔度和均勻性，以保質(zhì)保量的產(chǎn)出。

4.環(huán)境友好型材料的開(kāi)發(fā)：低表面能無(wú)毒防污材料的研究依賴(lài)于接觸角測量技術(shù)來(lái)評價(jià)其防污性能。在油墨和化妝品行業(yè)，該技術(shù)支持產(chǎn)品配方的優(yōu)化，以確保理想的涂抹和附著(zhù)特性。農藥的研發(fā)也借助于接觸角測量技術(shù)，以期提高活性成分在目標作物上的吸附效率。

5.印染工藝：通過(guò)接觸角的控制，可以改善顏料在纖維上的固著(zhù)率，而在造紙工業(yè)，它有助于提升紙張的品質(zhì)?？椢镎眍I(lǐng)域利用接觸角測量技術(shù)來(lái)增強紡織品的親水性或疏水性，以實(shí)現特定的功能性。洗滌劑的研制同樣離不開(kāi)接觸角的精確測定，以確保最佳的清潔效果。

6.噴涂應用：該技術(shù)確保涂層的均一性和附著(zhù)力，而在污水處理領(lǐng)域，接觸角測量技術(shù)則用于優(yōu)化固體顆粒的沉降和分離過(guò)程。

三、特點(diǎn)

在考慮液體與固體表面的相互作用時(shí)，接觸角θ是判斷表面潤濕性的關(guān)鍵參數。若θ小于90°，則可判定該固體表面為親水性，即液體能夠較易地潤濕固體。在此情況下，接觸角越小，表明潤濕性越佳。反之，若θ大于90°，則固體表面表現為疏水性，即液體不易潤濕固體，并在表面上易于移動(dòng)。

關(guān)于液體是否能進(jìn)入毛細管，這不只取決于接觸角的大小，還與特定液體的性質(zhì)有關(guān)。即便在較大夾角的條件下，也并非所有液體都會(huì )排斥進(jìn)入毛細管。

潤濕過(guò)程與各相界面間的張力有著(zhù)直接的聯(lián)系。當一滴液體落在水平的固體表面上并達到平衡狀態(tài)時(shí)，所形成的接觸角與固/氣、固/液、液/氣三個(gè)界面之間的張力滿(mǎn)足楊氏方程（Young Equation）：γSV= γSL+ γLV×cosθe

根據楊氏方程，我們可以預測幾種不同的潤濕情形：

1.當θ=0°時(shí)，代表液體對固體的潤濕；

2.當θ﹤90°時(shí)，液體對固體存在部分潤濕或潤濕現象；

3.當θ=90°時(shí)，它標志著(zhù)潤濕與不潤濕的臨界點(diǎn)；

4.當θ﹥90°時(shí)，液體不潤濕固體；

5.當θ=180°時(shí)，液體不全潤濕固體。

在毛細現象中，液體上升或下降的高度h反映了毛細作用的強度，其中h的正負值分別對應著(zhù)上升或下降。浸潤液體上升時(shí)，接觸角表現為銳角；而不浸潤液體下降時(shí)，接觸角則為鈍角。

液體在毛細管中上升的高度h可通過(guò)以下公式計算：

上升高度h=2*表面張力系數/（液體密度*重力加速度g*液面半徑R）。

上升高度h=2*表面張力系數*cos接觸角/（液體密度*重力加速度g*毛細管半徑r）。

四、測量方法

接觸角的測量是表面化學(xué)和材料科學(xué)中的重要實(shí)驗手段，用于評估液體與固體表面的相互作用。目前，測量接觸角的方法主要有兩種：一是外形圖像分析法；二是稱(chēng)重法，后者亦稱(chēng)為潤濕天平或滲透法接觸角儀。在眾多方法中，外形圖像分析法因其應用廣泛、測量值直接且準確而被廣泛采用。

外形圖像分析法的基礎原理是將液體滴置于固體樣品表面，通過(guò)顯微鏡頭和相機捕捉液滴的外形圖像。隨后，利用數字圖像處理技術(shù)及相應算法，從圖像中計算出液滴的接觸角。

接觸角的計算通?；谔囟ǖ臄祵W(xué)模型，如將液滴視為球體或圓錐體的一部分。通過(guò)測量特定參數，例如寬度/高度比，或通過(guò)直接擬合的方式，可以得出接觸角的值。Young-Laplace方程則描述了封閉界面的內外壓力差與界面曲率和界面張力之間的關(guān)系，它能夠精確地描述軸對稱(chēng)液滴的外形輪廓，并據此計算出接觸角。

對于紙張的接觸角測量，可以參考Tappi T 558標準進(jìn)行。而煙用紙張的接觸角測量，則應依據中國制煙行業(yè)的行業(yè)標準YC/T 424-2011“煙用紙表面潤濕性能的測定 接觸角法”執行。

接觸角的測量方法可以根據不同的標準進(jìn)行分類(lèi)。按照直接測量物理量的不同，可分為量角法、測力法、長(cháng)度法和透過(guò)法。根據測量時(shí)三相接觸線(xiàn)的移動(dòng)速率，可分為靜態(tài)接觸角、動(dòng)態(tài)接觸角（進(jìn)一步細分為前進(jìn)接觸角和后退接觸角）以及低速動(dòng)態(tài)接觸角。按測試原理劃分，又可以分為靜止或固定液滴法、Wilhemly板法、捕獲氣泡法、毛細管上升法和斜板法。