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润湿性、接触角及其测量

2018.6.27

当把一液滴置于一固体表面上时,有可能出现以下几种情况之一:

  • 液滴在固体表面完全铺展开,在其上面形成一液体薄膜。

  • 液滴在固体表面部分铺展开,在其上面形成一较平坦的液滴。

  • 液滴在固体表面几乎不发生铺展,只是“坐“在其上面而形成一高突的液滴。

润湿(wetting)是指在固体表面上一种液体取代另一种与之不相混溶的流体(气体或另一液体)的过程。 衡量一液体在某一固体表面的润湿性的好坏程度可通过接触角,它是液/气界面与固体表面之间(包括液体相部分)的夹角(见右图3)。

在第一种情况下,接触角为0°,我们说这液体能完全润湿该固体表面;在第二种情况下,接触角大于0°但小于90°,我们说这液体能部分润湿该固体表面;在第三种情况下,接触角大于90°,我们说这液体不能润湿该固体表面。

对于一给定的液体/固体表面/大气(也可以是另一与液体互不相溶的流体相)三相体系,接触角应为一特定的值,它是由三相之间的相互作用,也即液/气、液/固和固/气界面,决定的,是体系本身追求最小总能量的结果。液滴在固体表面的形状是由Y-L方程决定的,而接触角则起到(方程解的)边界条件的作用。在理想的情况下接触角与三相间相互作用力的关系可用以下的杨氏方程式(Young's eq.)来描述:Youngs Eq.

所以通过测量一液体在固体表面形成的液滴的接触角的大小,不但可衡量该液体对固体表面润湿性的好坏的程度,同时也能间接了解和获得液/固和固/气界面相互作用的信息和参数,因为它们无法直接测定(能直接测量的只有液/气或液/液间的相互作用参数)。

接触角的测量可通过角度量测仪(goniometer) 直接测定。除了这种直接测量法外,也可通过其他的间接测量法如通过测量液体施加/作用在固体表面的力(如Wilhelmy板/棒法),或通过测量液体在固体粉末或多孔物体中渗透的速度和渗入的量(如基于Washburn公式的天平称量法)。


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