接触角的测量

1《生物力学》课程实验报告学院：专业：年级：实验人姓名：学号：同组实验人姓名：日期：室温：相对湿度：接触角的测量[实验目的]了解实验原理，掌握实验操作，学习测量接触角的方法，了解润湿过程和接触角的实际意义。[仪器用具]JC2000C1接触角测量仪、载玻片、注射器、烧杯、蒸馏水[原理概述]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。当一液滴放置在固体平面上时，液滴能自动地在固体表面铺展开来，或以与固体表面成一定接触角的液滴存在，如图1所示。2图1接触角假定不同的界面间力可用作用在界面方向的界面张力来表示，则当液滴在固体平面上处于平衡位置时，这些界面张力在水平方向上的分力之和应等于零，即cos///ALLSAS（1）式中γS/A、γL/A、γS/L分别为固-气、液-气和固-液界面张力；θ为液体与固体间的界面和液体表面的切线所夹（包含液体）的角度，称为接触角（contactangle），θ在00-1800之间。接触角是反应物质与液体润湿性关系的重要尺度，θ＝90o可作为润湿与不润湿的界限，θ90o时可润湿，θ90o时不润湿。润湿(wetting)的热力学定义是，若固体与液体接触后体系（固体和液体）的自由能G降低，称为润湿。自由能降低的多少称为润湿度，用WS/L来表示。润湿可分为三类：粘附润湿（adhesionalwetting）、铺展润湿（spreadingwetting）和浸湿（immersionalwetting）。可从图2看出。图2三类润湿（1）粘附润湿如果原有的1m2固面和1m2液面消失，形成1m2固-液界面，则此过程的WAS/L为：WAS/L＝γS/A+γL/A-γS/L（2）（2）铺展润湿当一液滴在1m2固面上铺展时，原有的1m2固面和一液滴（面积可忽略不计）均消失，形成1m2液面和1m2固－液界面，则此过程的WSS/L为：WSS/L＝γS/A-γL/A-γS/L（3）（3）浸湿当1m2固面浸入液体中时，原有的1m2固面消失，形成1m2固－液界面，则此过程的WIS/L为：3WIS/L＝γS/A-γS/L（4）对上述三类润湿，γS/A和γS/L无法测定，如何求WS/L？分别讨论如下：①粘附润湿将（1）式代入（2）式，可得：WAS/L＝γL/A（1+cosθ）（5）因液体表面张力γL/A为已知，故只需测定接触角θ即可求出WAS/L。②铺展润湿将（1）式代入（3）式，可得：WSS/L＝γL/A（cosθ-1）因cos≤1，故WSS/L≤0。但WS/L是自由能降低，结果表示可以有一个自由能增加或不变的自发过程。这显然违反热力学第二定律。错误在于误用了（1）式，此式只适用于平衡态。若液滴自动铺展以完全盖住固面，这就表示液滴与固面不成平衡态，所以不能将（1）式代入（3）式中。这里应该指出，不能将铺展润湿认为θ＝00，而在此情况下根本没有接触角。θ＝00的正确理解应是有一个角，恰好等于0o。设有固体与压力逐渐增加的蒸气接触以吸附此蒸气，当压力达到饱和蒸气压P0时，固面上即有一层极薄的液体。由Gibbs吸附原理知，表面自由能降低＝RT00lnPPd。因此，WSS/L＝γS/A-γL/A-γS/L＝RT00lnPPd（6）③浸湿将式（6）中的γL/A去掉，即得WIS/L：WIS/L＝γS/A-γS/L＝RT00lnPPd（7）由（5）式可知，当θ＝0o时，cosθ＝1，WAS/L＝2γL/A，自由能降低为最大，则认为固体完全被液体润湿；当θ＝180o时，cosθ＝-1，WAS/L＝0，自由能降低为0，则固体完全不被液体润湿，即完全不润湿。这种情况是理想的，因为液体与固体之间多少有一些相互吸引力存在。对于理想的平固体表面，当液滴在表面达平衡后。只有一个符合Young方程的接触角。但实际固体表面是非理想的，因而会出现滞后现象，致使接触角的测量往往很难重复。但经过精心制备和处理的表面，有可能得到较重复的数据，特别是高分子的表面。表面的制备和处理的目的是要得到较光滑、干净的理想表面，但具体的手续因样品而异，这里不作更多的介绍。这里主要介绍一些常用的接触角测定方法，它们都是针对气—液—固体系的接触角而设计的。但其中有些方法，只需略加修改，亦适用于液—液—固体系接触角的测定。41.量角法液滴角度测量法是测量接触角的最常用的方法之一，如图3（a，b）所示。该方法是将固体表面上的液滴，或将浸入液体中的固体表面上形成的气泡投影到屏幕上，然后直接测量切线与相界面的夹角，直接测量接触角的大小。（a）停滴（b）停泡图3量角法示意图如果液体蒸气在固体表面发生吸附，影响固体的表面自由能，则应把样品放入带有观察窗的密封箱中，待体系达平衡后再进行测定。此法的优点是：样品用量少，仪器简单，测量方便。准确度一般在土1o左右。2.量高法如果液滴很小，重力作用引起液滴的变形可以忽略不计，这时的躺滴可认为是球形的一部分，如图4所示。接触角可通过高度的测量按下式计算：2tan2hd（8）式中h是液滴高度，d是滴底的直径。若液滴体积小于10-4mL，此方法可用。若接触角小于90o，则液滴稍大亦可应用。图4量高法示意图液滴在纤维上的接触角也可用量角法测量，把纤维水平拉直．置于样品槽内，然后投影到电脑屏幕，直接测定液滴与纤维表面的夹角。如果液滴很小，接触角也可用量高法测量，通过式（8）来计算。5实际固体表面几乎都是非理想的，或大或小总是会出现接触角滞后现象．因此，需同时测定前进角和后退角。对于躺滴法，可用增减液滴体积的办法来测定。增加液滴体积时测出的是前进角，如图5(a)所示；减少液滴体积时为后退角，如图5(b)所示。（a）前进角（b）后退角图5前进角和后退角的测定方法为了避免增减液滴体积时可能引起液滴振动和变形，在测定时可将改变液滴体积的毛细管尖端插入液滴中，尖端插入液滴不影响接触角的数值。决定和影响润湿作用和接触角的因素很多。如，固体和液体的性质及杂质、添加物的影响，固体表面的粗糙程度、不均匀性的影响，表面污染等。对于一定的固体表面，在液体液相中加入表面活性物质常可改善润湿性质，并且随着液体和固体表面接触时间的延长，接触角有逐渐变小趋于定值的趋势，这是由于表面活性物质在各界面上吸附的结果。[实验步骤]1、开机。将仪器插上电源，打开电脑，双击桌面上的JC2000C1应用程序进入主界面。点击界面右上角的活动图象按钮，这时可以看到摄像头拍摄的载物台上的图象。2、调焦。将进样器或微量注射器固定在载物台上方，调整摄像头焦距到0.7倍（测小液滴接触角时通常调到2倍～2.5倍），然后旋转摄像头底座后面的旋钮调节摄像头到载物台的距离，使得图象最清晰。3、加入样品。可以通过旋转载物台右边的采样旋钮抽取液体，也可以用微量注射器压出液体。测接触角一般用0.6μL～1.0μL的样品量最佳。这时可以从活动图象中看到进样器下端出现一个清晰的小液滴。4、接样。旋转载物台底座的旋钮使得载物台慢慢上升，触碰悬挂在进样器下端的液滴后下降，使液滴留在固体平面上。5、冻结图象。点击界面右上角的冻结图象按钮将画面固定，再点击File菜单中的Saveas将图象保存在文件夹中。接样后要在20s（最好10s）内冻结图像。6、量角法。按量角法按钮，进入量角法主界面，如图26所示，按开始键，打开文件夹，选中需要计算的图形文件。6图6量角法主界面图开始：调用保存图片量角器精度：选择0.05与0.25两个精度之一量取角度：显示测量尺W：测量尺向上S:测量尺向下A:测量尺向右D:测量尺向左:测量尺左旋:测量尺右旋量角器：显示测量尺角度接触角：显示接触角角度量取角度显示测量尺，显示测量尺角度为45度，然后使测量尺与液滴边缘相切，如图7所示。7图7量角法测量然后下移测量尺到液滴顶端，如图8所示图8量角法测量再将旋转测量尺，使其与液滴左端相交，即得到接触角的数值，如图9所示。8图9量角法测量另外，也可以使测量尺与液滴右端相交，求出接触角，最后求两者的平均值。7、五点拟合法。如图10所示,首先打开图片；鼠标点击平面处两点画出基准线，即液滴与固体交界处；再根据测量前进角或后退角，点击液滴一侧的底部，中部，和顶部（因为为手动点取，尽量靠近即可，软件会自动标出）。即图片液滴右侧的红十字；软件自动拟合圆，算出接触角。途中的蓝点和绿点为软件计算出的顶部和底部。图10前进角拟合分析[实验数据]接触角角度显示，多次测量可计算均值顶部中部底部基准线91、量角法：68.72°67.14°平均值：67.93°2、五点拟合法：66.55°[实验数据处理及讨论]两者比较，五点拟合法所测值偏小，但两者偏差不大，在误差允许范围之内。由于θ90o，玻璃润湿，这说明了玻璃是亲液的。误差分析：实验过程中可能振动了实验台、载玻片表面可能存在杂质、液滴过大或者过小等均有可能造成实验误差。