一、接触角(Contact Angle):
1. 接触角:
当液滴自由地处于不受力场影响的空间时,由于界面张力的存在而呈圆球状。但是当液滴与固体平面接触时,其最终形状取决于液滴内部的内聚力和液滴与固体间的粘附力的相对大小。当一液滴置于固体平面上时,液滴能自动地在固体表面铺展开来,或与固体表面成一定的角度而存在,我们称之为接触角(Contact Angle),即固—液界面经液体内部到气—液界面之间的夹角,也称浸润角或润湿角(Wetting Angle)。用符号θ表示,单位度(°)。
2. 接触角滞后
杨氏方程中所预示的接触角是假定固体表面平坦光滑、化学均匀、各相同性,三相平衡状态下的接触角,也称之为静态接触角(Staic Contact Angle)θO,即固—液—气三相接触线静止未发生移动的接触角。
但实际的固体表面在一定程度上可能存在粗糙不平、化学组成不均一,受污染等多种情况,这就使得实际接触角并非如杨氏方程所预示的取值唯一。而是在相对稳定的两个角度之间变化,这种现象被称为接触角滞后现象,上限为前进接触角(Advancing Contact Angle)θA,下限为后退接触角(Receding Contact Angle)θR。通常定义,液—固界面取代气—固界面后形成的接触角叫前进接触角;而气—固界面取代液—固界面形成的接触角叫后退接触角。一般情况下前进角总是大于后退角,二者之差θA-θR=Δθ定义为接触角滞后(Contact Angle Hysteresis)。
接触角滞后的大小决定了液滴从固体表面滚落的难易程度,滞后越大表明液滴越不易从表面滚落。滚动角(Sliding Angle)能直观的反映出接触角滞后的大小。一定体积的液滴从固体表面发生滚落时所需的最小倾斜角度称之为滚动角,用α表示。
在前进角和后退角区间内,固—液—气三相接触线是保持静止的,此时应为静态接触角;而当出现前进角或后退角时,三相接触线开始发生移动,这种固—液—气三相接触线发生移动的接触角称之为动态接触角(Dynamic Contact Angle)θD。
3. 润湿:
润湿是指在固体表面上一种液体取代另一种与之不相混溶的流体(气体或另一液体)的过程。润湿情形可分为粘湿、铺展和浸湿3类:
A.粘湿是指液体与固体接触,将气—液界面和气—固界面转变成液—固界面的过程。
B.铺展是指液体在固体表面扩展过程中,液—固界面取代气—固界面的同时,液体表面也扩展的过程。
C.浸湿是指固体浸没在液体中,气—固界面转变为液—固界面的过程。
液体在固体表面的润湿性的好坏程度可通过接触角来衡量:
A.当θ≤180°时为粘湿
B.当θ=180°时为完全不润湿(这是不可能的理想状态,因液体与固体间的相互吸引力总会存在)
C.当θ=90°时为润湿与否的分界标准;当θ>90°时为不润湿(疏水);当θ<90°为润湿(亲水)
D.当θ≤90°时为浸湿
E.当θ=0°或不存在时为铺展(完全润湿)
二、液体表/界面张力(Liquid Surface/Interfacial Tension):
界面是指两相接触的约几个分子厚度的过渡区,常见的两相界面有:气—液界面、气—固界面、液—液界面、固—液界面和固—固界面。任何不相溶两相间的张力叫界面张力(Interfacial Tension),有时界面张力也特指液—液界面间的张力。表面张力(Surface Tension)是界面张力的一种特殊形式,是指气—液或气—固界面间的张力。而液体表面张力(Liquid Surface Tension)则专指凡作用于液体表面,使液体表面积缩小的力。用符号γ或γL表示,单位有牛顿/米(N/m)、毫牛/米(mN/m)和达因/厘米(dyn/cm),其1×10-3N/m=1mN/m=1dyn/cm。
通常液体的表面张力自其液体表面形成之后,随着时间的推移而有所变化。在新的液体表面形成的瞬间,经过约1sec以上时的表面张力,称作静态表面张力;在1sec以下的表面张力称作动态表面张力。
三、固体表面自由能(Solid Surface Free Energy):
如同液体表面张力为气体与液体间的界面张力一样,固体表面自由能为气体与固体间界面张力的一般定义,即在一定温度和压力下,形成单位新面积时外力所做的可逆功,是固体比表面吉布斯(Gibbs)自由能的简称。用符号γ或γS表示,单位有焦耳/平方米(J/m2)、牛顿/米(N/m)、毫牛/米(mN/m)、尔格/平方厘米(erg/cm2)和达因/厘米(dyn/cm),其1J/m2=1N·m/m2=1N/m=1000mN/m=1000erg/cm2=1000dyn/cm。
与液体表面不同的是:液体不能承受剪应力,无塑性变形,而固体是刚性的,其表面的分子流动性差,能够承受剪应力的作用,可以抵抗表面收缩的趋势。
固体表面能(Solid Surface Energy)的大小决定了其可润湿性质。表面能高于100mN/m的为高表面能固体,通常认为无机固体如金属及其氧化物、硫化物、氯化物及各种无机盐的表面能较大,它们能被一般液体润湿;表面能低于100mN/m的为低表面能固体,通常认为有机固体和高聚物的表面能较小,与一般的液体大致相当,甚至更低,它们不易被一般液体润湿。