在做接觸角測試時,科學(xué)指南針檢測平臺工作人員在與很多同學(xué)溝通中了解到,好多同學(xué)對接觸角測量不太了解,針對此,科學(xué)指南針檢測平臺團(tuán)隊(duì)組織相關(guān)同事對網(wǎng)上海量知識進(jìn)行整理,希望可以幫助到科研圈的伙伴們;
接觸角是指當(dāng)一液體與固體表面相接觸時,液體在與固體表面相接觸(點(diǎn))處(三相接觸邊界,3PCP)其液/氣-界面形狀走向的切線與固體表面(包括液體相一側(cè))之間的夾角。這一角度的值標(biāo)志著液體在固體表面的潤濕性:當(dāng)潤濕性很好時,液體可以在固體表面鋪展開,呈現(xiàn)0°的接觸角值;當(dāng)潤濕性很差時,液體在固體表面無法鋪展,只能聚集在一起而包成一團(tuán),呈現(xiàn)180°的接觸角值;當(dāng)潤濕性界于很好與很差之間時,液體在固體表面可以有限度地鋪展開來,形成介于0°~180°之間的接觸角。這一有限的接觸角值是體系中各個不同的相互作用力的平衡,也是體系趨向低能量的結(jié)果。涉及的相互作用力包括。
1.液體自身的表面張力(γL):這一值越大,液體越傾向于聚集在一起、包成一團(tuán),而不愿意在固體表面上鋪展開來;
2.固體自身的表面張力或表面(自由)能(γS):這一值越大,固體表面的能量位越高,越希望有能量較低的液體層能夠在其上面鋪展開來而覆蓋它,以降低體系的能量;
3.液體/固體表面-界面的相互作用力(γSL):這一值越小,固體表面對液體的吸引力越大,液體越能夠在其上面鋪展開來,導(dǎo)致較低的接觸角值。
所以,如果希望液體能夠較好地潤濕固體表面:液體的表面張力值越低、固體的表面能值越高、液體/固體表面-界面的相互作用力越強(qiáng)就越有利。
反之,如果希望液體最好不要潤濕固體表面:液體的表面張力值越高、固體的表面能值越低、液體/固體表面-界面的相互作用力越弱就越有可能。
如果假設(shè)液體的表面張力值(γL)是已知的(這一值可以直接測量,所以比較容易準(zhǔn)確獲得);如果再假設(shè),γSL與γS、γL之間存在某一確定的依賴關(guān)系,如γSL=f(γS,γL)
那么接觸角的值θ,與這些相互作用力之間的關(guān)系,可以表達(dá)為:θ=g(γS,γL,γSL)=g(γS,γL,f(γS,γL))=h(γS,γL)
也就是說,接觸角的值與液體表面張力和固體表面能有關(guān)(上式中的f,g和h均表示一定的函數(shù)/依賴關(guān)系)。當(dāng)前者給定時,其值直接與固體表面能相關(guān)。所以測量所使用的液體也被稱為探針液體(probe),通過測量它在固體表面的接觸角值,可以用來探測固體表面的表面能值,也即固體表面的潤濕屬性,而這也正是接觸角測量之應(yīng)用基礎(chǔ)。
接觸角值的測量目前有二種常用的方法:基于稱量的Modified Wilhelmy Plate方法和基于液面(liquid meniscus)形狀分析的光學(xué)法。前者屬于間接的方法,后者屬于直接方法。