一、接觸角的定義是什么？

1805年，英國(guó)科學(xué)家托馬斯·楊（Thomas Young）在研究潤(rùn)濕和毛細(xì)現(xiàn)象時(shí)描述了界面張力和接觸角的定量關(guān)系。兩百多年來(lái)，楊氏方程已成為潤(rùn)濕領(lǐng)域基本的理論之一。將一液滴滴在固體表面上，形成圖所示的形狀。在固-液-三相界面上，固氣的界面張力為γ_SV，固液的界面張力為γ_SL，氣液的界面張力為γ_LV。在三相交界處自固液界面經(jīng)過(guò)液體內(nèi)部到氣液界面的夾角叫接觸角θ。三相界面服從的關(guān)系就是著名的Young方程：

    Young方程是研究液固潤(rùn)濕作用的基礎(chǔ)。接觸角θ的大小是判定潤(rùn)濕性能好壞的依據(jù)。若θ=0，cosθ=1，液體*潤(rùn)濕固體表面，液體在固體表面鋪展；0<θ<90°，液體可潤(rùn)濕固體，且θ值越小，潤(rùn)濕性能越好；90°<θ<180°，液體不潤(rùn)濕固體；θ=180°，*不潤(rùn)濕，液體在固體表面凝聚成小球。

二、接觸角的測(cè)定方法

• 停滴法（座滴法）

在光滑、均勻、水平的固體表面上放一小液滴，因液滴很小，重力作用可以忽略?？蓪⒁旱我曌髑蝮w的一部分。測(cè)得液滴的高度h和底寬2r，由簡(jiǎn)單的幾何分析可求出θ。

Sinθ=2hr/(h²+r²)

tanθ=2hr/(r²-h²)

• 插板法

將表面光滑、均勻的固體薄片垂直插入液體中，如果液體能夠濕潤(rùn)次固體，則將沿薄片平面上升。升高值h和接觸角θ之間的關(guān)系為：

三、接觸角的滯后現(xiàn)象

考慮一個(gè)在水平面上具有穩(wěn)定接觸角的液滴。若表面是理想光滑和均勻的，往這液滴加少量液體，則液滴周界的前沿向前拓展，但仍保持原來(lái)的接觸角。從液滴中抽取少量液體，則液滴的周界前沿向后收縮，但維持原來(lái)的接觸角。反之，若表面是粗糙的或不均勻的，向液滴加入一點(diǎn)液體只會(huì)使液滴變高，周界不動(dòng)，從而使得接觸角變大，此時(shí)的接觸角稱(chēng)為前進(jìn)角θa。若加入足夠多的液體，液滴的周界會(huì)突然向前蠕動(dòng)，此突然運(yùn)動(dòng)剛要發(fā)生時(shí)的角度稱(chēng)為大前進(jìn)角θa max。若從液滴中取出少量液體，液滴在周界不移動(dòng)的情況下變得更平坦，接觸角變小，此時(shí)的接觸角稱(chēng)為后退角θr。當(dāng)抽取足夠多的液體時(shí)，液滴周界前沿會(huì)突然收縮，此突然收縮剛要發(fā)生時(shí)的角度稱(chēng)為小后退角θr min。

在傾斜面上的前進(jìn)角和后退角。假若沒(méi)有接觸角滯后，平板只要稍微傾斜一點(diǎn)，液滴就會(huì)滾動(dòng)。接觸角的滯后時(shí)液滴能穩(wěn)定在斜面上。這個(gè)事實(shí)表明，接觸角滯后的原因時(shí)由于液滴的前沿存在這能壘。

接觸角測(cè)量?jī)x原理

恒壓下，當(dāng)一液體放置在固體平面上時(shí)，液滴能自動(dòng)地在固體表面鋪展開(kāi)來(lái)，或以與固體表面成一定接觸角的液體存在。

接觸角測(cè)試儀，主要用于測(cè)量液體對(duì)固體的接觸角，即液體對(duì)固體的浸潤(rùn)性，可以測(cè)量各種液體對(duì)各種材料的接觸角，如塊狀材料、纖維材料、紡織材料等，粉末樣品在壓片后也可測(cè)量。

表達(dá)式：

應(yīng)用范圍

納米材料科學(xué)與工程已經(jīng)成為世界性的研究熱點(diǎn)，在研究納米材料的表面改性時(shí)，往往要涉及潤(rùn)濕接觸角這個(gè)概念。對(duì)石油、印染、醫(yī)藥、噴涂、選礦等行業(yè)的科研生產(chǎn)有非常重要的作用，尤其在材料表面改性研究方面的應(yīng)用比較突出。

測(cè)試方法

①測(cè)試方式：座滴法

②接觸角分析方法：高寬法、楊拉普拉斯法、橢圓法、錐切法、圓法

③拍攝圖像方法：?jiǎn)螐埮臄z

④接觸角測(cè)試范圍：0<θ<180°

⑤測(cè)試分辨率：0.01°

⑥測(cè)試精度： 0.1°

具體操作如下：

1、在瓶口的微量進(jìn)樣針中加入待測(cè)液體(注意排空氣泡)

2、啟動(dòng)測(cè)試設(shè)備，設(shè)備自動(dòng)將一滴液體滴在待測(cè)固體表面，成像系統(tǒng)將固體表面的液體投影到屏幕上，并立即凍結(jié)圖像，然后直接用軟件測(cè)量切線與相界面的夾角，直接測(cè)量出接觸角度的大小。

3、移動(dòng)測(cè)試平臺(tái)，在未經(jīng)測(cè)試的固體表面，重復(fù)上述操作，一般平行測(cè)試3-6個(gè)接觸角，取平均值。

應(yīng)用案例(代表性圖譜展示)

測(cè)量液體在各種材料表面的鋪展、滲透、吸收等潤(rùn)濕行為，測(cè)量靜態(tài)接觸角、靜態(tài)接觸角、測(cè)量分析固體的表面自由能、液體的界面和表面張力、全自動(dòng)注射系統(tǒng)、前進(jìn)角/后退角等全面功能。

案例一

案例二

將水、乙醇滴在待測(cè)基材表面，當(dāng)液滴接觸界面時(shí),開(kāi)始記時(shí),15S凍結(jié)圖像,測(cè)量接觸角測(cè)試5次，取平均值。

樣品對(duì)水的接觸角測(cè)試圖

樣品對(duì)乙醇的接觸角測(cè)試圖

測(cè)試結(jié)果如下：

案例三

液體表/界面張力與表面能

界面是指兩相接觸的約幾個(gè)分子厚度的過(guò)渡區(qū)，常見(jiàn)的兩相界面有:氣一液界面、氣一固界面、液一液界面、固一液界面和固一固界面。任何不相溶兩相間的張力叫界面張力。

‌表面張力‌：液體表面分子因受力不均產(chǎn)生的收縮力，宏觀表現(xiàn)為單位長(zhǎng)度上的力(單位：N/m)，或單位表面積的能量(單位：J/m²)‌。

如同液體表面張力為氣體與液體間的界面張力一樣，固體表面自由能為氣體與固體間界面張力的一般定義，即在一定溫度和壓力下，形成單位新面積時(shí)外力所做的可逆功，是固體比表面吉布斯(Gibbs)自由能的簡(jiǎn)稱(chēng)。

‌表面能‌：固體表面原子因配位不飽和而具有的過(guò)剩能量，通常與表面張力數(shù)值相等，但本質(zhì)不同(前者為固體屬性，后者為液體屬性)‌。

表面能決定了接觸角和粘接力

把一滴水滴在材料表面，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)“接觸角”：

表面能高 → 液體鋪展得開(kāi) → 接觸角小

表面能低 → 液體蜷縮成滴 → 接觸角大

潤(rùn)濕是粘接的前提，決定了膠黏劑能不能鋪展到整個(gè)表面。

高表面能液體不能潤(rùn)濕低表面能固體;液體與固體表面能越接近，潤(rùn)濕性越差;在同一固體上，波體的表面能越高，潤(rùn)濕性越差;同一液體在表面能大的固體表面潤(rùn)濕性好。

接觸角的測(cè)量原理基于表面張力和界面張力的平衡，其大小受到表面張力和固體表面的性質(zhì)影響。如果液體分子與固體表面分子之間的相互作用較強(qiáng)，液體將更容易展開(kāi)在固體表面上，接觸角就會(huì)變小，潤(rùn)濕性更強(qiáng)，表示材料表面越親水;反之，如果相互作用較弱，接觸角就會(huì)變大，潤(rùn)濕性較差，則材料表面越疏水。

當(dāng)θ<90°時(shí)，我們稱(chēng)固體表面為親水表面，如下圖中左側(cè)示意;

當(dāng)θ>90°時(shí)，我們稱(chēng)固體表面為疏水表面，如下圖中右側(cè)示意;

在假設(shè)固體表面為各向同性、均質(zhì)、平坦的條件下，可以根據(jù)三相接觸點(diǎn)處的受力平衡，寫(xiě)出接觸角表達(dá)式如下：

如果表面粗糙，定義粗糙因子R_f為固體表面真實(shí)表面積與投影面積之比，計(jì)算公式如下：

則粗糙因子對(duì)于接觸角影響如下：

因?yàn)镽_f是一個(gè)大于1的數(shù)，所以針對(duì)一個(gè)親水表面，粗糙會(huì)使其更加親水;針對(duì)一個(gè)疏水表面，粗糙會(huì)使其更加疏水。

但是這個(gè)分析還有一定局限性在于對(duì)于表面粗糙狀態(tài)的表面僅通過(guò)面積之比，缺少更加復(fù)雜的表面形貌等信息，那些也會(huì)對(duì)接觸角帶來(lái)顯著的影響。

表面張力與表面能‌：在純液體中兩者數(shù)值相等，但概念不同。表面張力是力學(xué)描述，表面能是熱力學(xué)描述‌。

四、接觸角測(cè)量?jī)x軟件功能包括哪些

　接觸角測(cè)量?jī)x主要用于測(cè)量液體對(duì)固體的接觸角，即液體對(duì)固體的浸潤(rùn)性，儀器能測(cè)量各種液體對(duì)各種材料的潤(rùn)濕角/接觸角。同時(shí)可測(cè)量和計(jì)算表面液體張力/界面張力、固體表面張力/自由能。能測(cè)量各種液體對(duì)各種材料的接觸角。儀器采用機(jī)械電子一體化工藝制造，儀器采用先進(jìn)的CMOS/CCD工業(yè)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)（可選配高速攝像和存儲(chǔ)功能的工業(yè)相機(jī)），配倍高清可變焦式顯微鏡筒和高亮度LED冷光源背景光源系統(tǒng)，XYZ三維樣品臺(tái)（可選配滾動(dòng)平臺(tái)、自動(dòng)控溫平臺(tái)），高精度進(jìn)樣系統(tǒng)（可選配全自動(dòng)進(jìn)樣系統(tǒng)和全自動(dòng)滴定系統(tǒng)）。

接觸角測(cè)量?jī)x軟件功能包括：

（1）接觸角計(jì)算功能（測(cè)高法、量角法、自動(dòng)分析法）；

（2）左右接觸角對(duì)比功能（可計(jì)算平均值）；

（3）九種常見(jiàn)表面自由能估算；

（4）自動(dòng)基準(zhǔn)線功能；

（5）軟件自動(dòng)識(shí)別限位

（6）程序化設(shè)定測(cè)量點(diǎn)

（7）圖像和數(shù)據(jù)自動(dòng)保存數(shù)據(jù)庫(kù)，可調(diào)閱和打印

（8）粘度功、內(nèi)聚能、加液減液法測(cè)量滯后性

（9）懸滴法測(cè)量液體表面張力

五、接觸角測(cè)量?jī)x的主要功能和應(yīng)用范圍

接觸角測(cè)量?jī)x的主要功能：

1、液滴在固體表面的接觸角測(cè)量（包括外相為氣體或不相混溶的液體）；
2、液滴在固體表面的動(dòng)態(tài)接觸角測(cè)量（包括前進(jìn)接觸角、后退接觸角、滾動(dòng)角等）；
3、液—氣表面和液—液界面張力測(cè)量（懸滴法）；
4、表面活性劑臨界膠束濃度分析（懸滴法）；
5、固體表面自由能及其分量估算（包括表面能、臨界表面張力、色散力、極性力、氫鍵力、范德華分量、路易斯酸/堿分量等）；
6、潤(rùn)濕性行為分析（包括競(jìng)爭(zhēng)、粘附、潤(rùn)濕、鋪展、吸收等）。

接觸角測(cè)量?jī)x應(yīng)用范圍：

1、納米材料與不同活性劑間濕潤(rùn)性的測(cè)定與研究；
2、薄膜、織物、紙張等表面吸附/吸收過(guò)程分析；
3、親水鋁箔、巖芯、礦物、瀝青、絕緣子等潤(rùn)濕性行為分析；
4、偏光片、膠片、眼鏡片等表面潤(rùn)濕性和吸附性分析；
5、清洗行業(yè)的清洗效果檢測(cè)；
6、晶圓、封裝基板、LED、高精密部件等有機(jī)污染檢測(cè)；
7、玻璃、液晶屏、觸控屏等表面處理效果和清潔度檢測(cè)；
8、表面活性劑如化妝品、乳液、石油等分析與應(yīng)用；
9、醫(yī)藥、食品、聚合物等表面競(jìng)爭(zhēng)、吸附和浸透性分析；
10、粘貼劑與固體間的粘接程度研究與檢測(cè)；
11、纖維、碳纖維、玻璃纖維和樹(shù)脂等表征分析；
12、噴霧、油漆、涂料和油墨等配方設(shè)計(jì)和潤(rùn)濕性分析；
13、清潔劑如肥皂、洗滌劑等表(界)面張力分析；
14、印刷、鍍膜、電鍍和上漆等表面附著力檢測(cè)。