文献翻译接触角的应用和测量技术.docx

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文献翻译接触角的应用和测量技术

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：

σlvcosθ=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，CAM200应用了高速的CCD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接触，用张力测量法测量接触角，而且测量它们之间存在的张力。

如果知道了相互影响的作用力、固体的几何形状、液体的表面张力就可以计算出来接触角了。

使用者首先用Wihelmy插板法和Dunouy吊环法测量液体的表面张力，这时被测固体试样需要平衡悬挂，叶面上升接触到固体。

当二者接触后，可以探测到作用力的改变。

而没有浸没时标准差记录下了这种上升。

也记录下了当固体置入液体平衡时的作用力，平衡作用力可用下式表示：

Ft=润湿力+探头力-浮力

Sigmn70表明了探头的自重，从未浸没时地图线中可以推断浮力作用的影响。

剩下的那部分作用力就是如下是定义的润湿力：

润湿力=pσl-vcosθ

公式中，σl-v是液体的表面张力，p是探头的周长，θ是接触角，因此可以用来计算任何深度的接触角。

这个接触角是探头进入液体而产生的接触角，固体试样浸没到一定的深度。

与此过程相反，随着探头从液体中抽出，可以用来测量后退接触角。

优点

应用张力法测量液体的接触角比测角法有几个优势，对于浸没曲线上的任何一点，任何深度的固体的圆周上的所有点都可以利用。

因此任一给定的浸没深度上都可以用来计算接触角的作用力是一个平均值。

可以用来计算试样整个长度上的平均值或者任何一部分浸没曲线上的平均值来测定沿着试样长度上的接触角的改变。

这项技术要求试验者分析接触角的值，而这个接触角是由静态到迅速润湿的过程中，在整个范围内的润湿而产生的。

因为接触角取决于一种力，而这个力是由没有主观错误可能性的设备测量出来的。

接触角的变化包括前进接触角和后退接触角，而这些在同一条曲线上都可以看到。

另外，由重复润湿产生的变化能够得到由润湿引起的接触角变化的信息，但使用测角法很难分析纤维，而用测力法就很容易。

缺点

这种技术的应用有两个方面的缺陷，首先，试验者需要有足够的可以利用的测试液，以便可以浸没固体试样的任何一部分。

其次，被测固体下次还可以再利用，要求固体试样制作成形或者是有规则的几何外形。

这样就有占其长度一定部分的周长了。

我们知道的杆状物、平板、纤维的周长都是理想的。

与液体接触的固体试样所有面都必须有相同的表面，试样的量也必须足够的小，以便在Singma70上悬挂时达到平衡。

这种技术更难在高温的测量系统中使用，温度低于或者等于100度时，很容易处理。

而超过了这个范围的测量另外讨论。

Washburn法

若待测固体试样是多孔结构时，产生了润湿液的吸收，可以选择这种方法。

固体与测试液体接触后，随着时间的改变，测试固体吸收了大量的液体。

吸收量是粘滞度、密度、液体的表面张力作用、固体材料的系数和接触角相互影响的结果。

如果粘滞度、密度和表面张力已知，那么材料系数和接触角就能够求出来。

KSV仪器借助于Washburn法提供了两种寻找接触角的手段，Sigma70和LPR902。

从参考文献104中可以得到详细的介绍。

接触角的应用

接触角研究的主要焦点是固液界面相互作用的润湿特性。

接触角通常用于润湿性的直接测量，而其他的实验参数可以从接触角和表面张力中推导出来。

举例如下：

黏附功:

定义黏附功时，要求区分液体和固体的相面或者负面自由能与固体和液体相面的黏附功，它们也要联系在一起。

用来表示两种相面的相互作用力，由下面的Young-Dupre等式：

Wa=σ（1+cosθ）

内聚功：

定义内聚功时，要求把液体分为两部分，测量液体内部的相互作用为下面的等式：

Wc=2σ

铺展功：

负自由能与液体在固体表面的铺展联系起来，由下式给出：

Ws=σ（cosθ-1）

润湿张力：

如下是定义，张力大小：

τ=Fw/P=σLVcosθ

这个值是润湿张力对长度的标准化，也表示接触角的余弦值和表面张力的乘积。

在没有表面张力的独立测量中，考虑到润湿作用力的特性，在某些情况下还是有意义的，而在多组合系统中，界面的表面张力可能不等于平衡时的表面张力，因此这里也指黏附功或者润湿功.

表面张力的测量数据直接反映测试溶液的热力学特性。

接触角的测量数据反映液固相互作用的热力特性。

只需要知道特殊液固的接触角，就可以表征其润湿行为。

也可能用一种更普遍的方式表征固液间的润湿性。

可用的方法很多，但每一中方法的基本原理是相同的。

一种固体与多种液体相接触，可以测得多个接触角。

依据这些测量，计算就可以得到参数（临界表面张力、表面能），而这些参数量化了固体润湿的特性。

这里有两种基本的方法：

临界表面张力：

对于一系列不同表面张力的均匀液体用σ与cosθ做一张曲线图，会发现在一给定的σ下，cosθ的值接近于，这就对应着表面张力的最大值，也就是完全润湿，把这个值称为临界表面张力，通常用来表征固体的特性。

表面自由能：

另一种表征表面张力的方法是通过计算自由表面能，也称为固体的表面张力。

这种方法涉及到测试液对固体有较好的润湿性，使用的液体润湿性要好那样他们的表面张力的极性和色散量已知，由Owens和Wendt给出的相关公式:

σl（1+cosθ）/（σld）1/2=（σsp）1/2[（σlp）1/2/（σld）1/2]+（σsd）1/2

式中的θ是接触角，σl是液体的表面张力，σs固体的表面张力或自由能,另外，d和p分别是色散量和每一部分的极性。

等式的组成如下式的形式:

y=mx+b.能够作出（σlp）1/2/（σld）1/2和σl（1+cosθ）/（σld）1/2图像，斜率为（σsp）1/2（σsd）1/2.是ym的截距，真个自由表面能基本上就是由他们这两种组成了。

Thisapplicationnoteprovidesabriefintroductiontotheuseandmeasurementofcontactangles.Thetechniquesusedformeasurementarediscussedandcompared.

Whatiscontactangle?

Contactangle,θ,isaquantitativemeasureofthewettingofasolidbyaliquid.Itisdefinedgeometricallyastheangleformedbyaliquidatthethreephaseboundarywherealiquid,gasandsolidintersectasshownbelow:

Itcanbeseenfromthisfigurethatlowvaluesofindicatethattheliquidspreads,orwetswell,whilehighvaluesindicatepoorwetting.Iftheangleθislessthan90theliquidissaidtowetthesolid.Ifitisgreaterthan90itissaidtobenon-wetting.Azerocontactanglerepresentscompletewetting.

Themeasurementofasinglestaticcontactangletocharacterizetheinteractionisnolongerthoughttobeadequate.Foranygivensolid/liquidinteractionthereexistsarangeofcontactangleswhichmaybefound.Thevalueofstaticcontactanglesarefoundtodependontherecenthistoryoftheinteraction.Whenthedrophasrecentlyexpandedtheangleissaidtorepresentthe‘advanced’contactangle.Whenthedrophasrecentlycontractedtheangleissaidtorepresentthe‘receded’contactangle.Theseanglesfallwithinarangewithadvancedanglesapproachingamaximumvalueandrecededanglesapproachingaminimumvalue.

Ifthethreephase（liquid/solid/vapor）boundaryisinactualmotiontheanglesproducedarecalledDynamicContactAnglesandarereferredtoas‘advancing’and‘receding’angles.Thedifferencebetween‘advanced’and‘advancing’,‘receded’and‘receding’isthatinthestaticcasemotionisincipientinthedynamiccasemotionisactual.Dynamiccontactanglesmaybeassayedatvariousratesofspeed.Dynamiccontactanglesmeasuredatlowvelocitiesshouldbeequaltoproperlymeasuredstaticangles.

Hysteresis

Thedifferencebetweenthemaximum（advanced/advancing）andminimum（receded/receding）contactanglevaluesiscalledthecontactanglehysteresis.Agreatdealofresearchhasgoneintoanalysisofthesignificanceofhysteresis.Ithasbeenusedtohelpcharacterizesurfaceheterogeneity,roughnessandmobility.Briefly,forsurfaceswhicharenothomogeneoustherewillexistdomainsonthesurfacewhichpresentbarrierstothemotionofthecontactline.Forthecaseofchemicalheterogeneitythesedomainsrepresentareaswithdifferentcontactanglesthanthesurroundingsurface.Forexamplewhenwettingwithwater,hydrophobicdomainswillpinthemotionofthecontactlineastheliquidadvancesthusincreasingthecontactangles.Whenthewaterrecedesthehydrophilicdomainswillholdbackthedrainingmotionofthecontactlinethusdecreasingthecontactangle.Fromthisanalysisitcanbeseenthat,whentestingwithwater,advancingangleswillbesensitivetothehydrophobicdomainsandreceding

angleswillcharacterizethehydrophilicdomainsonthesurface.

Forsituationsinwhichsurfaceroughnessgenerateshysteresistheactualmicroscopicvariationsofslopeinthesurfacecreatethebarrierswhichpinthemotionofthecontactlineandalterthemacroscopiccontactangles.Therehasbeenagreatdealofresearchinvestigatingthesignificanceofhysteresisandyouarerecommendedtothe

paperscitedattheendofthisnoteforfurtherdetails.

Contactanglecanalsobeconsideredintermsofthethermodynamicsofthematerialsinvolved.Thisanalysisinvolvestheinterfacialfreeenergiesbetweenthethreephasesandisgivenby:

σlvcosθ=σsv-σsl

whereσlv,σsvandσslrefertotheinterfacialenergiesoftheliquid/vapor,solid/vaporandsolid/liquidinterfaces.

Howiscontactanglemeasured?

Twodifferentapproachesarecommonlyusedtomeasurecontactanglesofnon-poroussolids,goniometryandtensiometry.Goniometryinvolvestheobservationofasessiledropoftestliquidonasolidsubstrate.Tensiometryinvolvesmeasuringtheforcesofinteractionasasolidiscontactedwithatestliquid.Bothtechniquesaredescribedbelowwithcommentsonthechoiceofeithertechniqueforparticularresearchapplications.

Inthecaseofporoussolids,powdersandfabricsanotherapproachiscommonlyused.Thistechniqueinvolvesusingatensiometer,suchastheKSVSigma70,andtheWashburnmethod.Itisthemethodofchoicewhenyoursamplecontainsaporousarchitecturewhichabsorbsthewettingliquid.ItisdescribedbrieflybelowandmorecompletelyinApplicationNote#104.

Goniometry

Analysisoftheshapeofadropoftestliquidplacedonasolidisthebasisforgoniometry.Thebasicelementsofagoniometerincludealightsource,samplestage,lensandimagecapture.Contactanglecanbeassesseddirectlybymeasuringtheangleformedbetweenthesolidandthetangenttothedropsurface.

Theproductionofdropswithadvancedandrecedededgesinvolvesoneoftwostrategies.Dropscanbemadetohaveadvancededgesbyadditionofliquid.Recedededgesmaybeproducedbyallowingsufficientevaporationorbywithdrawingliquidfromthedrop.Alternately,bothadvancedandrecedededgesareproducedwhenthestageonwhichthesolidisheldistiltedtothepointofincipientmotion.Usinganinstrumentwithhighspeedimagecapturecapabilitiesshapesofdropsinmotionmaybe

analyzed.

KSVInstrumentssuppliestwoinstrumentsforgoniometry,theCAM100andCAM200.TheCAM100usesa50mmUSBcameraforimagecapture.TheCAM200instrumentsusesahighspeedCCDcameraforimagecapture.Theimagesareanalyzedwithcomputersoftware.

Advantage