接触角的原理和应用

接触角的简介

接触角（contact angle）是指在气、液、固三相交点处所作的气-液界面的切线，此切线在液体一方的与固-液交界线之间的夹角θ，是润湿程度的量度。

接触角测量仪原理用接触角测量仪本身附带的注射器针头将一滴待测液体滴在基质上。液滴会贴附在基质表面上并投射出一个阴影。投影屏幕千分计会使用光学放大作用将影像投射到屏幕上以进行测量。

固体板插入液体时，只有板面与液体的夹角恰好为接触角时液面才直平伸至三相交界处，不出现弯曲。否则，液面将出现弯曲现象。因此，改变板的插入角度直至液面三相交界处附近无弯曲，这时，板面与液面的夹角即为接触角。

接触角的特点

1、当θc=0，完全润湿；

2、当θc﹤90°，部分润湿或润湿，亲水；

3、当θc=90°，是润湿与否的分界线；

4、当θc﹥90°，不润湿，疏水；

5、当θc=180°，完全不润湿。

若θ<90°，则固体表面是亲水性的，即液体较易润湿固体，其角越小，表示润湿性越好；若θ>90°，则固体表面是疏水性的，即液体不容易润湿固体，容易在表面上移动。至于是否液体能进入毛细管，这个还与具体液体有关，并非所有液体在较大夹角下完全不进入毛细管。

润湿过程与体系的界面张力有关。一滴液体落在水平固体表面上，当达到平衡时，形成的接触角与各界面张力之间符合杨氏公式。

接触角的应用

1、在润滑油的特性标定中，检验各中重油、润滑油的黏附及润湿关系。

2、.在印刷行业中，检验印刷油墨、金属、纸张之间的付着、黏结润湿关系。

3、在建筑防水工作中，检验经硅酸树脂处理的纺织物的防水性能。

4、在浮选工作中，检验用沸腾法选择矿物微粒在油水混合物中沾化吸附能力。

5、在搪瓷工业中，检验溶化的硅化物对金属表面的粘化附着力。

6、在活性试剂表面特性测定中，检查液体试剂的渗透、生锈特性。

7、检验金属表面的脱脂，清洁，老化，亲水等情况及薄膜表面上的吸附特性。

8、在军事科学研究中，检验发射出的弹皮与空气中雨雾的附着、润湿特性。

接触角的测量方法

1.切线法：

常规方法，需手工切线，误差较大。

2.圆法：

也叫宽高法，θ/2法，利用三点拟合一个圆形（开放式存在，能更好的看清楚是否贴合在一起），从而计算出接触角度。适用于<20°角度的接触角测量。

3.椭圆法：

当接触角度超过20度时，此时已不是一个常规的圆形，而近似一个椭圆形，椭圆法用五点拟合椭圆形，从而计算出接触角度。适用于>20° <120°角度测量。

4.Laplace-Young法：

适用于>120°超疏水角度的测量。但是Laplace-Young法有一个缺点，就是图象一定要非常清晰和完整，需自动拟合，并且左右两边的角度要均匀。目前已经开发出微分圆法和微分椭圆法，此方法含扩（圆环法，椭圆法，Laplace-Young法）并能优化Laplace-Young法的不足之处。

5.量角法：

液滴角度测量法是测量接触角的最常用的方法之一，如图3(a，b)所示。该方法是将固体表面上的液滴，或将浸入液体中的固体表面上形成的气泡投影到屏幕上，然后直接测量切线与相界面的夹角，直接测量接触角的大小。

如果液体蒸气在固体表面发生吸附，影响固体的表面自由能，则应把样品放入带有观察窗的密封箱中，待体系达平衡后再进行测定。此法的优点是;样品用量少，仪器简单，测量方便。准确度一般在±1左右。

6.量高法：

如果液滴很小，重力作用引起液滴的变形可以忽略不计，这时的躺滴可认为是球形的一部分，如图4所示。接触角可通过高度的测量按下式计算:

式中h是液滴高度，d是滴底的直径。若液滴体积小于10mL，此方法可用。若接触角小于90，则液滴稍大亦可应用。液滴在纤维上的接触角也可用量角法测量，把纤维水平拉直。置于样品槽内，然后投影到电脑屏幕，直接测定液滴与纤维表面的夹角。如果液滴很小，接触角也可用量高法测量，通过式(8)来计算。

实际固体表面几乎都是非理想的，或大或小总是会出现接触角滞后现象。因此，需同时测定前进角和后退角。对于躺滴法，可用增减液滴体积的办法来测定。增加液滴体积时测出的是前进角，如图5(a)所示;减少液滴体积时为后退角，如图5(b)所示。

为了避免增减液滴体积时可能引起液滴振动和变形，在测定时可将改变液滴体积的毛细管尖端插入液滴中，尖端插入液滴不影响接触角的数值。

决定和影响润湿作用和接触角的因素很多。如，固体和液体的性质及杂质、添加物的影响，固体表面的粗糙程度、不均匀性的影响，表面污染等。对于一定的固体表面，在液体液相中加入表面活性物质常可改善润湿性质，并且随着液体和固体表面接触时间的延长，接触角有逐渐变小趋于定值的趋势，这是由于表面活性物质在各界面上吸附的结果。

接触角的制样要求

1. 粉末样品需至少0.5ml，收取制样费用；

2. 块体或者薄膜样品测一次接触角需要的面积至少是0.5cm*0.5cm，需要表面洁净、平整；

3. 液体需要5ml。