影响接触角大小的因素:
物质的本性
接触角的滞后现象
固体表面的粗糙性和不均匀性
环境的影响
1、物质的本性
对于指定固体,液体表面张力越小,接触角θ越小;
对于同一液体,固体表面能越大, θ越小;
θ反映了液体分子与固体表面亲和作用的大小,亲和力越强,越易在固体表面铺开,θ越小。
2、接触角的滞后现象
前进角与后退角
前进角θa——固液界面取代固气界面后形成的接触角
后退角θr——气固界面取代固液界面形成的接触角
接触角滞后——前进角与后退角不相等的现象;通常后退角小于前进角。
若液体与固体发生相对运动时,则会形成两个不同的接触角。较大的θa称为前进接触角(advancing contact angle),较小的θr称为后退接触角(receding contact angle)。这种θa>θr的现象称为接触角滞后。
3、固体表面的粗糙性和不均匀性
r值表示表面粗糙的程度:
θ≥90°,r越大,接触角越大;润湿性越差
θ<90°,r越大,接触角越小;润湿性越好。
表面不均匀(污染)——使得不同区域的表面能不同,导致接触角的变化。
液体在粗糙表面与平滑表面的润湿角不同。粗糙度使得润湿性差的更差,润湿性好的更好。
4、环境的影响
固体表面,尤其是高能表面从周围环境中吸附某些组分而降低表面能,同时改变了表面性质。
在自然界、工程技术和日常生活中,液体对固体的润湿和不润湿现象都有重要的意义和作用。彩色感光材料和录音、录像磁带在生产过程中,都要将配制好的感光材料涂液或磁浆,又快又均匀地涂布到固体薄片基上,然后再干燥、裁切、整理包装成产品。而几乎所有的防水用品,都希望水对其不润湿, 例如风雨衣、雨伞的面布,就希望雨水打到上面后完全不润湿,形成水珠落下。
能不能又快又均匀地涂上去,就与所涂液体能否在固体薄片基(现通常是采用涤纶薄膜片基)上润湿,并能迅速铺展开来密切相关。现在比较讲究的印刷纸张表面要加上一层薄薄的涂料,其涂布过程也要考虑涂液对纸基需要有好的润湿性能。在印刷过程中,要又快又好地印出多彩的图案来,各种油墨对纸张也要有好的润湿性能。即使在日常生活中,墙壁的刷浆、家具的刷漆,均都有类似的需要润湿性能好的问题。
接触角现有测试方法通常有两种:其一为外形图像分析方法;其二为称重法.后者通常称为润湿天平或渗透法接触角仪.但目前应用最广泛,测值最直接与准确的还是外形图像分析方法.
外形图像分析法的原理为,将液滴滴于固体样品表面,通过显微镜头与相机获得液滴的外形图像, 再运用数字图像处理和一些算法将图像中的液滴的接触角计算出来.
计算接触角的方法通常基于一特定的数学模型如液滴可被视为球或圆椎的一部分,然后通过测量特定的参数如宽/高或通过直接拟合来计算得出接触角值。杨氏方程描述了一封闭界面的内、外压力差与界面的曲率和界面张力的关系,可用来准确地描述一轴对称的液滴的外形轮廓,从而计算出其接触角。烟用纸张的接触角可参照我国制烟行业的行业标准YC/T 424-2011“烟用纸表面润湿性能的测定-接触角法”执行。
润湿过程大体可分为沾湿(ashesion)、浸湿(immersions)和铺展(spreading)三类,每一类过程都有定量的公式。用它可判断这一过程能否自发(或自动)进行。
如果液相(L)和固相(S)按下图所示的方式接合,则称此过程为沾湿。这一过程进行后的总结果是:消失一个固-气和一个液-气界面,产生一个固-液界面。
液体对固体的沾湿能力可用黏附功Wa表示,
(1)
式中是液体的表面张力,θ是液体在固体表面上的接触角。式(1)称为杨氏润湿方程。根据热力学,在等温等压的条件下,的过程为天然过程的方向,这就是沾湿过程自发进行的条件。
将固体小方块(S),按下图所示方式浸入液体(L)中,如果固体表面气体均为液体所置换,则称此过程为浸湿。在浸湿过程中,体系消失了固-气界面,产生了固-液界面。
液体表面在此过程中没有变化。浸湿的能力用浸湿功W1表示
(2)
若,则浸湿过程可以自发进行。
置一液滴于一固体表面(如下图)。恒温恒压下,若此液滴在固体表面上自动展开形成液膜,则称此过程为铺展润湿。在此过程中,失去固-气界面,形成了固-液界面和液-气界面。
其能力可用铺展系数Sab来判断
(3)
式中,分别是液体a和液体b的表面张力,是液体a、b间的界面张力。若,则液体a能在液体b表面上自动展开。
式(1)~(3)均涉及到液体的表面张力,那么什么是表面张力,它与润湿现象有什么关系呢?
表面张力是指垂直地通过液体表面上任一单位孤元,并沿着与液面相切方向的收缩表面的力,以 mN/m (毫牛顿/米)为单位,通常用γ表示。
液体表面的基本特性是倾向于收缩,即总是尽可能取最小的表面积。一切容积相等的形状中,以球形的表面积为最小,因此小量水银和露珠会趋向球形,肥皂膜会自动收缩成滴。
毛细现象
表面张力与润湿现象的联合作用,形成了毛细现象(上图)。毛细现象是指将内径很小的管子(毛细管)插入液体中,管内外液面产生高度差的现象。
当液体与构成毛细管的固体材料润湿时,管中液面升高并呈凹状;当液体与毛细管材料不润湿时,管中液面下降并呈凸形。
毛细现象在科学技术和日常生活中经常可以见到。含有许多毛细管的“上水石”,可作为盆景中的假山,它正是靠水因毛细作用上升的现象,使假山上的植物获得水分。
植物所以能够通过根和茎将土壤中的水和养分吸收到自己机体中来,其重要原因也是凭借机体中的毛细管和毛细作用。
润滑油通过孔隙进入机器部件中去润滑机器,靠的也是毛细现象。大量多孔性的固体材料,如纸张、纺织品、粉笔等能够吸水,是因为水能润湿这些多孔性物质,从而产生毛细现象。
“山云蒸,柱础润”,“础润而雨”,础石是多孔性材料,也正是因空气中所含大量水分,由毛细现象使础石潮湿,从而可以作为空气湿度大,将要下雨的预示。
既然表面张力和润湿与否密切相关,那么有没有办法通过加合适的化合物,使液体的表面张力改变,从而改变液体对固体的润湿性能呢?科学研究表明,确有这样的化合物能在很低浓度时,就可显著降低液体的表面张力和固—液界面的界面张力,以改善润湿性能,使液体更易润湿固体。
也有这样的化合物,它能降低液—液界面的界面张力,使一种液体能在另一种与它不相混溶的液体表面上更快、更好地铺展。这样的化合物,通常称为表面活性剂或润湿剂。
我国感光材料工业就曾使用过合适的润湿剂,攻克了因润湿性能不好、涂布不够均匀,致使冲洗出的彩色电影胶片发花、发闪的难题。
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