浸潤(rùn)性與接觸角
蓮藕從淤泥中拔出比較干凈、荷葉表面的水近似呈球狀、水黽可以在水面行走、雨披可以防雨、農(nóng)藥溶液能散布于農(nóng)作物表面等現(xiàn)象,與液體對(duì)固體表面的浸潤(rùn)(又稱濕潤(rùn),wetting)有關(guān)。引起浸潤(rùn)現(xiàn)象是源于分子間相互作用的表面張力,表面張力是界面上單位面積的自由能。如圖1-1是液體在固體表面的靜態(tài)濕潤(rùn)模型:
圖1-1 靜態(tài)接觸角示意圖
接觸角θ指的是在氣——液——固交界處(三重線,又稱接觸點(diǎn))液——固交界面與氣——液交界面的夾角,用于衡量浸潤(rùn)程度,其值越小則浸潤(rùn)性越好。假設(shè)不受限于分子直徑,液體在固體表面無限鋪展開,這稱為完全浸潤(rùn),此時(shí)θ=0°;液體與固體的接觸面具有一定的面積且0°<θ<180°,則稱為不完全浸潤(rùn);如果θ=180°,則稱為完全不浸潤(rùn)。一般定義θ<90°時(shí),液體可以濕潤(rùn)(浸潤(rùn))固體;θ>90°時(shí),液體不可以濕潤(rùn)固體。
水是最常見的液體,它的浸潤(rùn)情況與憎水性(hydrophobicity)對(duì)應(yīng),接觸角越大時(shí)則表示憎水性越好。
l 當(dāng)θ<90°時(shí)通常稱對(duì)應(yīng)材料具有親水性;
l 當(dāng)θ>90°時(shí)通常稱對(duì)應(yīng)材料具有憎水性。
液體對(duì)固體的浸潤(rùn)作用一般可用黏附功來表征,它表示在真空中使單位面積的液體與固體的界面分離,留下裸固體表面所需的功,即
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式(1-2)稱為 Young-Dupre 公式,它給出了黏附功與液體表面張力和接觸角的關(guān)系。假設(shè)接觸角為180°時(shí),由式(1-2)可知黏附功為0,固液不存在吸引力,分離過程無需做功,液體完全不能浸潤(rùn)固體。
將式(1-1)帶入式(1-2)得到式(1-3)
式(1-3)稱為 Young 方程,θ又稱 Young接觸角。