文档介绍：附录外文文献翻译
本文将简要介绍接触角的应用和测量技术。主要讨论并比较了这两种测量技术。
什么是接触角?
接触角θ是用来定量表征液体对固体的润湿性。如下面的几何图形所示,接触角是由固体、液体、气体三相边界组成的,有液体一侧到固体部分的角度。
从图中可以看出:接触角θ的值小,则表明液体铺展或者润湿性好。而接触角θ的值较大,则表明润湿性较差。如果接触角θ小于90度,也就是说,液体浸润固体,如果接触角的值大于90度,就是说不浸润,而0度接触角表明完全润湿。
用一个单独的静态接触角来表征界面间的相互影响还不是太充分。对于任意给定的液固界面,总可以一系列存在的接触角。人们发现,静态接触角的值取决于液固界面的相互影响。人们把液滴铺展的接触角称为“前进接触角”,而把缩小的接触角称为“后退接触角”。前进接触角接近于最大值,后退接触角接近于最小值,而这一系列角的值就在这最大值和最小值之间。
在实际运动中,三相(液体、固体、气体)边界产生的角称为动态接触角,也可以指“前进的”和“后退的”的角。“前进的”和“在前进的”或“后退的”和“在后退的”区别在于在静态运动的开始实际上是动态的。动态接触角是在各种比率的速度下测定的,在较低的速度下测定的动态接触角应该是静态接触角相等。
滞后现象
最大的(前进的/在前进的)和最小的(后退的/在后退的)接触角之间的差值就是接触角的滞后现象。已经有大量的研究分析了接触角滞后现象的意义。它通常用来表征表面的多向性、粗糙性和活性。简而言之,对于不均匀的表面,在表面上出现阻碍接触线移动的区域。对于化学多向性这种情况,这些区域指的是比周围表面有不同接触角的区域。下面以水润湿为例,当液体前进而接触角的增加,憎水区域将锁定接触线。当水从亲水区域退湿时,将阻碍接触线的移动,而减小接触角。从这些分析中可以看出,用水测试时,前进接触角对憎水区敏感,而后退接触角表征了表面亲水区的特征。
表面粗糙性产生接触角的滞后现象,在这种情况下,显微镜的实际倾斜度的变化在固体表面产生了障碍。这种障碍锁定了接触线的移动和改变了宏观的接触角。大量的研究显示了接触角的滞后现象,从文章后的引用文献中可以得到更详细的讨论。
接触角也可以从所涉及的材料的热力学形式考虑。这种分析涉及到三种相态的界面自由能,如下面的公式所示:
σlv cosθ=σsv -σsl
式中:σlv ,σsv 和σsl分别是液-气、固-气和固- 液界面的界面能。
如何测量接触角?
测角法和张力测定法是两种不同的用来测量少孔固体表面的接触角的方法。测角法涉及到固体底面上测试液的固定液滴的观测,张力法涉及到测量固体和测试液体接触的相互作用力。两种方法在下面的文章中介绍,对于个别的研究而选择任何一种。
一种方法通常用于多孔固体粉末、织物的情况下,这种技术用到张力计,例如:KSV标准差70和Washburn方法。样品中含有吸收润湿液体的多孔结构时,宜选用这种方法。下面的文章中将简要的描述并在参考文献104中有更多详细的介绍。
测角法
分析置于固体上测试液体的形式是测角法的基础。测角法的基本组成包括光源、试样平台、透镜和图像采集卡。接触角由直接测量固体和液滴表面的切线之间的角度来估计。
两种方法的其中之一就产生液滴前进和后退边缘。通过增加液体而使液滴产生前驱边缘。而通过是液滴蒸发或者从液滴中抽取液体产生后退边缘。当液体处于起始运动的阶段就产生了前进或者后退边缘。运用具有高速图像采集能力的设备就能分析运动液滴的形状了。
KSV提供了两种测量接触角的设备:CAM100和CAM200。 CAM100应用了50毫米的USB摄像头捕捉图像,D摄像机捕捉图像,而后,图像用计算机软件分析。
优点
测角法用于张力法不能用的情形下。人们使用的各种固体底面。底面上总有一个相对平坦的用于测试的部分,这部分适合于设备的平台。对有规则曲线的地面摄像,也容易分析。
这种设备只适用于非常少量的液体,对于聚合物这样的高温液体也容易测量。
缺点
接触角切线的作法是减少接触角测量可重复性的一个因素,而接触角的切线将能确定接触角。简易的测角法取决于在切线作法上操作者的一致性。这可能导致较大的错误,特别是操作者多次使用的主观性的错误。KSV设备中的CAM100和CAM200通过使用计算机分析液滴形状来消除这个问题,而得到接触角的数据。
有时候,这种情况产生的前进接触角和后退接触角很难有可重复性。尽管从运动中的液滴得到了关于动态接触角的数据,但是运动速度不能控制,相对于后面介绍的张力法,测角法还是不太适合于通过润湿作用对接触角的分析。
另外,由于每次测量中液体的数量受到限制,应该多次测量来表征表面的特性,测角法还不能用于研究纤维。
张力法
固体试样与测试液体