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如何測(cè)量接觸角

更新時(shí)間:2021-01-06點(diǎn)擊次數(shù):1248

潤(rùn)濕與不潤(rùn)濕現(xiàn)象是液體與固體接觸處的一種表面現(xiàn)象。潤(rùn)濕與不潤(rùn)濕取決于液體分子與固體分子問的相互作用力(稱為附著力)大于或小于液體分子間的相互作用力(稱為內(nèi)聚力)。分子問引力有一作用范圍,與固體接觸處的接觸面對(duì)液體分子的影響也有一定的范圍。設(shè)固、液分子間的引力有效作用距離為/,液、液分子問的引力有效作用距離為眾,則在液、固接觸處,厚度的較大者的一層液體中的分子受力情況將與內(nèi)部的液體分子受力情況有所不同,它們將受到接觸面的影響,這層液體我們稱之為附著層。

實(shí)驗(yàn)表明,不同液體對(duì)不同固體潤(rùn)濕與不潤(rùn)濕的程度不同,為表明這種潤(rùn)濕或不潤(rùn)濕的程度,引入接觸角這個(gè)物理量。在液體與固體接觸處,作液體表面的切線與固體表面的切線,這兩條切線通過液體內(nèi)部所成的角度,稱為接觸角。

在材料表面上附著的液滴會(huì)呈現(xiàn)出一定形狀,這個(gè)形狀取決于固體-液體-氣體各界面之間的張力平衡。就接觸角的數(shù)值而言,接觸角越小說明固體表面越容易被液體潤(rùn)濕,接觸角越大說明固體表面越難被液體潤(rùn)濕。

實(shí)際上接觸角值是通過測(cè)量液滴輪廓在三相接觸點(diǎn)處的一階導(dǎo)數(shù)即切線的斜率而得到的,而三相接觸點(diǎn)附近的液滴輪廓會(huì)受到各種光線的干擾,或者由于材料不夠平整遮掩住三相接觸點(diǎn)附近的輪廓。所以光學(xué)法接觸角測(cè)量并不是對(duì)數(shù)碼照片上的某個(gè)夾角直接測(cè)量而得到的,而是使用不同的數(shù)學(xué)模型擬合液滴輪廓,再通過計(jì)算得到的。

若θ<90°,則固體是親液的,即液體可潤(rùn)濕固體,其角越小,潤(rùn)濕性越好;若θ>90°,則固體是憎液的,即液體不潤(rùn)濕固體,容易在表面上移動(dòng),不能進(jìn)入毛細(xì)孔。

潤(rùn)濕過程與體系的界面張力有關(guān)。一滴液體落在水平固體表面上,當(dāng)達(dá)到平衡時(shí),形成的接觸角與各界面張力之間符合下面的楊氏公式(YoungEquation):

γs,g=γs,l+γg,l×cosθ

由它可以預(yù)測(cè)如下幾種潤(rùn)濕情況:

①當(dāng)θ=0,*潤(rùn)濕;

②當(dāng)θ<90°,部分潤(rùn)濕或潤(rùn)濕;

③當(dāng)θ=90°,是潤(rùn)濕與否的分界線;

④當(dāng)θ>90°,不潤(rùn)濕;

⑤當(dāng)θ=180°,*不潤(rùn)濕。

毛細(xì)現(xiàn)象中液體上升、下降高度h。h的正負(fù)表示上升或下降。

浸潤(rùn)液體上升,接觸角為銳角;不浸潤(rùn)液體下降,接觸角為鈍角。

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

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