接觸角是指在氣、液、固三相交點(diǎn)處所作的氣-液界面的切線與固-液交界線之間的夾角θ,是潤濕程度的量度。
若θ<90°,則固體是親液的,即液體可潤濕固體,其角越小,潤濕性越好;若θ>90°,則固體是憎液的,即液體不潤濕固體,容易在表面上移動(dòng),不能進(jìn)入毛細(xì)孔。
潤濕過程與體系的界面張力有關(guān)。一滴液體落在水平固體表面上,當(dāng)達(dá)到平衡時(shí),形成的接觸角與各界面張力之間符合下面的楊氏公式(Young Equation):
γs,g=γs,l+γg,l×cosθ
由它可以預(yù)測(cè)如下幾種潤濕情況:
① 當(dāng)θ=0,*潤濕;
② 當(dāng)θ<90°,部分潤濕或潤濕;
③ 當(dāng)θ=90°,是潤濕與否的分界線;
④ 當(dāng)θ>90°,不潤濕;
⑤ 當(dāng)θ=180°,*不潤濕。
毛細(xì)現(xiàn)象中液體上升、下降高度h。h的正負(fù)表示上升或下降。
浸潤液體上升,接觸角為銳角;不浸潤液體下降,接觸角為鈍角。
上升高度h=2×表面張力系數(shù)/(液體密度×重力加速度g×液面半徑R)。
上升高度h=2×表面張力系數(shù)×cos接觸角/(液體密度×重力加速度g×毛細(xì)管半徑r)。
潤濕性問題與采礦浮選、石油開采、紡織印染、農(nóng)藥加工、感光膠片生產(chǎn)、油漆配方以及防水、洗滌等都有密切關(guān)系。
接觸角現(xiàn)有測(cè)試方法通常有兩種:其一為外形圖像分析方法;其二為稱重法。后者通常稱為潤濕天平或滲透法接觸角儀,但目前應(yīng)用zui廣泛,測(cè)值z(mì)ui直接與準(zhǔn)確的還是外形圖像分析方法。
外形圖像分析法的原理:將液滴滴于固體樣品表面,通過顯微鏡頭與相機(jī)獲得液滴的外形圖像,再運(yùn)用數(shù)字圖像處理和一些算法將圖像中的液滴的接觸角計(jì)算出來。
計(jì)算接觸角的方法通?;谝惶囟ǖ臄?shù)學(xué)模型如液滴可被視為球或圓椎的一部分,然后通過測(cè)量特定的參數(shù)如寬/高或通過直接擬合來計(jì)算得出接觸角值。Young-Laplace方程描述了一封閉界面的內(nèi)、外壓力差與界面的曲率和界面張力的關(guān)系,可用來準(zhǔn)確地描述一軸對(duì)稱的液滴的外形輪廓,從而計(jì)算出其接觸角。
另外機(jī)械上常指軸承接觸角:在球軸承中,球與內(nèi)外圈溝道的接觸,一般各為一點(diǎn)。接觸點(diǎn)連線沿溝道法線并且通過球中心。外部負(fù)荷則沿著該直線,由一個(gè)套圈傳遞至另一個(gè)套圈,因此,人們稱之為軸承壓力線,并將壓力線與徑向平面之間的二面角稱為壓力角。