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接触角的由来

北京东方德菲仪器有限公司 2020-07-31 10:49:39 231  浏览
  • 接触角(contact angle)这个术语,出现在1805年英国物理学家托马斯杨(Thomas Young)所发表的著名的《流体的内聚力和黏附力》著作里,这个术语的产生距今已经215年。

     

     托马斯杨是在研究毛细流动体系时,产生了接触角的概念。 毛细流动体系是三相体系,包含固相、液相和另一种流动相(气相或另一种液相)。对于这样的体系中的毛细流动静驱动力是由界面张力、三相界面几何形状和三相边界线上固体表面几何形状三种基本量控制的。当液体与第二流体相(气相)和固体表面接触时,就产生了液体-流体( /气)界面取向的力不平衡,这是因为使它呈现出在固体表面的特征平衡取向的状态,这就是接触角的产生,也成为接触角效应。平衡时,可以认为接触角时物质固有的常数,它仅仅依赖于三个相组成的本质,与物质存在量的多少无关。


    从热力学的角度出发,接触角的值取决于体系中三相达成的热力学平衡。达成平衡时,三相的化学势应相同。如果把固/气界 面的界面能表示为 γSV ,固/液界面的界面能表示为 γSL,液/气界面的界面能(即界面张力)表示为 γ,这样就可写出如下的方程式它表示水平方向作用力的总和,在平衡时必须满足等于 0 的条件:

    γSV γSL γcosq0 = 0 

     

     这就是著名的杨方程 Young Equation)这里的q0是(实验测量的)热力学平衡(equilibrium thermodynamic)接触角。根据 Young‘s 方程,对于一给定的体系热力学上的接触角 (q0) 应该只有一个,也即是一定值。这个定值是表面理想化下得出的,并不是接触角测量仪实际测量出来的真实数值。

     

    二百多年来,接触角已经成为衡量润湿行为的重要实验数据,托马斯杨方程也是润湿领域的最基本的理论之一。接触角测量仪也随着材料科学的发展,成为了材料实验室必备的实验室仪器。今年4月,ZG科技大学的科学家首次从力学角度重新解释了托马斯杨方程,我们会在以后的文章中探讨。


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接触角的由来

接触角(contact angle)这个术语,出现在1805年英国物理学家托马斯杨(Thomas Young)所发表的著名的《流体的内聚力和黏附力》著作里,这个术语的产生距今已经215年。

 

 托马斯杨是在研究毛细流动体系时,产生了接触角的概念。 毛细流动体系是三相体系,包含固相、液相和另一种流动相(气相或另一种液相)。对于这样的体系中的毛细流动静驱动力是由界面张力、三相界面几何形状和三相边界线上固体表面几何形状三种基本量控制的。当液体与第二流体相(气相)和固体表面接触时,就产生了液体-流体( /气)界面取向的力不平衡,这是因为使它呈现出在固体表面的特征平衡取向的状态,这就是接触角的产生,也成为接触角效应。平衡时,可以认为接触角时物质固有的常数,它仅仅依赖于三个相组成的本质,与物质存在量的多少无关。


从热力学的角度出发,接触角的值取决于体系中三相达成的热力学平衡。达成平衡时,三相的化学势应相同。如果把固/气界 面的界面能表示为 γSV ,固/液界面的界面能表示为 γSL,液/气界面的界面能(即界面张力)表示为 γ,这样就可写出如下的方程式它表示水平方向作用力的总和,在平衡时必须满足等于 0 的条件:

γSV γSL γcosq0 = 0 

 

 这就是著名的杨方程 Young Equation)这里的q0是(实验测量的)热力学平衡(equilibrium thermodynamic)接触角。根据 Young‘s 方程,对于一给定的体系热力学上的接触角 (q0) 应该只有一个,也即是一定值。这个定值是表面理想化下得出的,并不是接触角测量仪实际测量出来的真实数值。

 

二百多年来,接触角已经成为衡量润湿行为的重要实验数据,托马斯杨方程也是润湿领域的最基本的理论之一。接触角测量仪也随着材料科学的发展,成为了材料实验室必备的实验室仪器。今年4月,ZG科技大学的科学家首次从力学角度重新解释了托马斯杨方程,我们会在以后的文章中探讨。


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触角是指在气、液、固三相交点处所作的气-液界面的切线在液体一方与固-液交界线之间的夹角θ。这一角度的值标志着液体在固体表面的润湿性:当润湿性很好时,液体可以在固体表面完全铺展开,呈现的接触角值;当润湿性很差时,液体在固体表面完全无法铺展,只能聚集在一起而包成一团,呈现180°的接触角值;当润湿性界于很好与很差之间时,液体在固体表面可以有限度地铺展开来,形成介于 0°~ 180°之间的接触角。

 

测量液体在固体表面接触角一般有二种方法:天平称量法和光学法。

一、天平称量法是一种间接测量接触角的方法,是薄板法表面张力测量仪的副产物。这一方法只适用于几何形状规则的固体表面(如圆柱体和长方形薄板),而且测量的也只能是整个接触周边表面上的平均接触角值,不能只限于测量其中的一个面。

二、光学法是建立在直接观测液滴在固体表面的接触角的测量法,是一种直接测量法。它几乎不受固体表面几何形状和尺寸的限制,适用性广,测量模式众多,而且测量多可在与实际应用相同或相似的条件下进行。自从引入了相机和数字图像处理后,视频光学法不但大大提高了测量的自动化程度和速度,减少了人为主观因素的影响,而且使得测量的精度和准确性也获得大幅度提高。

相比较而言,应用广泛、测量直接与准确的接触角测量方法是光学接触角测量法。    

( 本文内容得到授权所有者的授权许可)

 



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