潤濕性、接觸角及其測量

潤濕性、接觸角及其測量
Pendant drop profile 當(dāng)把一液滴置于一固體表面上時(shí)，有可能出現(xiàn)以下幾種情況之一：
液滴在固體表面*鋪展開，在其上面形成一液體薄膜。
液滴在固體表面部分鋪展開，在其上面形成一較平坦的液滴。
液滴在固體表面幾乎不發(fā)生鋪展，只是“坐“在其上面而形成一高突的液滴。
潤濕（wetting）是指在固體表面上一種液體取代另一種與之不相混溶的流體(氣體或另一液體)的過程。 衡量一液體在某一固體表面的潤濕性的好壞程度可通過接觸角，它是液/氣界面與固體表面之間（包括液體相部分）的夾角。
在*種情況下，接觸角為0°，我們說這液體能*潤濕該固體表面；在第二種情況下，接觸角大于0°但小于90°，我們說這液體能部分潤濕該固體表面；在第三種情況下，接觸角大于90°，我們說這液體不能潤濕該固體表面。
對(duì)于一給定的液體/固體表面/大氣（也可以是另一與液體互不相溶的流體相）三相體系，接觸角應(yīng)為一特定的值，它是由三相之間的相互作用，也即液/氣、液/固和固/氣界面，決定的，是體系本身追求zui小總能量的結(jié)果。液滴在固體表面的形狀是由Y-L方程決定的，而接觸角則起到（方程解的）邊界條件的作用。在理想的情況下接觸角與三相間相互作用力的關(guān)系可用以下的楊氏方程式（Young's eq.）來描述： Youngs Eq.
所以通過測量一液體在固體表面形成的液滴的接觸角的大小，不但可衡量該液體對(duì)固體表面潤濕性的好壞的程度，同時(shí)也能間接了解和獲得液/固和固/氣界面相互作用的信息和參數(shù)，因?yàn)樗鼈儫o法直接測定（能直接測量的只有液/氣或液/液間的相互作用參數(shù)）。
接觸角的測量可通過角度量測儀(goniometer) 直接測定。除了這種直接測量法外，也可通過其他的間接測量法如通過測量液體施加/作用在固體表面的力（如Wilhelmy板/棒法），或通過測量液體在固體粉末或多孔物體中滲透的速度和滲入的量（如基于Washburn公式的天平稱量法）。
接觸角的范圍和實(shí)例
4) 荷葉上的水滴
Pendant Drop after fittting 物理上有意義的接觸角的范圍是0°~180°。接觸角為0°時(shí)表示液體在固體表面*鋪展開，直到形成一單分子薄層（如果沒有任何阻礙的話！）。 接觸角在0°到30°之間表示液體對(duì)固體表面有很好的潤濕性，能較好鋪展開，這一范圍對(duì)許多工藝過程都是很重要的，如油漆、涂料、清洗、粘結(jié)等。接觸角在30°~90°之間表示液體對(duì)固體表面有一定的潤濕性，但不是很好，而當(dāng)接觸角大于90°時(shí)，液體對(duì)固體表面已不呈現(xiàn)潤濕性；當(dāng)這一角度增加到約130°~140°，液體開始呈現(xiàn)對(duì)固體表面的排斥性(surface repellency)。 當(dāng)接觸角增加到150°以上時(shí)，液滴其實(shí)只是“坐”在表面上，一有機(jī)會(huì)就想離開表面，對(duì)表面呈現(xiàn)高度的排斥性。水滴在荷花葉面上的現(xiàn)象就屬于這種情況，接觸角大到約170°，被稱為“荷花效應(yīng)”（lotus effect），這類表面也常被稱為超疏水表面（superhydrophobic surface），它們具有自清洗效果（self-cleaning），很有應(yīng)用前景，所以是當(dāng)前研究的一個(gè)熱點(diǎn)。
同一體系的不同接觸角
上面提到的Young氏方程式其實(shí)只適用于一液滴在光滑、化學(xué)均質(zhì)、剛性、各項(xiàng)同性且無化學(xué)反應(yīng)等相互作用的理想表面上。實(shí)際表面上接觸角并非如Young方程所預(yù)示的取值*, 而是在相對(duì)穩(wěn)定的兩個(gè)角度之間變化，這種現(xiàn)象被稱為接觸角滯后現(xiàn)象(contact angle hysteresis）。上限為前進(jìn)接觸角θa，下限為后退接觸角θr； 二者之差： 
Δθ = θa - θr 
定義為接觸角滯后性。大量研究表明滯后現(xiàn)象可歸因?yàn)楸砻娲植谛浴⒒瘜W(xué)多相和亞穩(wěn)表面能量態(tài)。
實(shí)際表面的非理想性, 導(dǎo)致用Young接觸角表征表面濕潤性的傳統(tǒng)做法不夠完善, 還必須考慮接觸角的滯后性，這樣才能完整地表征，如表面的超疏水性，等特性。