2020-07-30 16:45:58

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接触角(contact angle)是指在固、液、气三相交界处,自固-液界面经过液体内部到气- 液界面之间的夹角。

基本信息

  • 中文名称

    接触角

  • 外文名称

    contact angle

  • 定义

    接触物交界线之间的夹角θ

  • 意义

    润湿程度的量度

  • 杨氏公式

    γsv = γsl + γlv×cosθ

  • 测量方法

    外形图像分析方法及称重法

液体在固体材料表面上的接触角, 是衡量该液体对材料表面润湿性能的重要参数。通过接触角的测量可以获得材料表面固-液、固-气界面相互作用的许多信息。接触角测量技术不仅可用于常见的表征材料的表面性能, 而且接触角测量技术在石油工业、浮选工业、医药材料、芯片产业、低表面能无毒防污材料、油墨、化妆品、农药、印染、造纸、织物整理、洗涤剂、喷涂、污水处等领域有着重要的应用 。

折叠 编辑本段 特点

若θ<90°,则固体表面是亲水性的,即液体较易润湿固体,其角越小,表示润湿性越好;若θ>90°,则固体表面是疏水性的,即液体不容易润湿固体,容易在表面上移动。至于是否液体能进入毛细管,这个还与具体液体有关,并非所有液体在较大夹角下完全不进入毛细管。

润湿过程与体系的界面张力有关。一滴液体落在水平固体表面上,当达到平衡时,形成的接触角与各界面张力之间符合下面的杨氏公式(Young Equation):

γSV = γSL + γLV×cosθe

由它可以预测如下几种润湿情况:

1)当θ=0,完全润湿;

2)当θ<90°,部分润湿或润湿;

3)当θ=90°,是润湿与否的分界线;

4)当θ>90°,不润湿;

5)当θ=180°,完全不润湿。

毛细现象中液体上升、下降高度h。h的正负表示上升或下降。

浸润液体上升,接触角为锐角;不浸润液体下降,接触角为钝角。

上升高度h=2*表面张力系数/(液体密度*重力加速度g*液面半径R)。

上升高度h=2*表面张力系数*cos接触角/(液体密度*重力加速度g*毛细管半径r)。

润湿性问题与采矿浮选、石油开采、纺织印染、农药加工、感光胶片生产、油漆配方以及防水、洗涤等都有密切关系。

The contact angle is the angle at which a liquid/vapor interface meets the solid surface. The contact angle is specific for any given system and is determined by the interactions across the three interfaces. Most often the concept is illustrated with a small liquid droplet resting on a flat horizontal solid surface. The shape of the droplet is determined by the Young Relation. The contact angle plays the role of a boundary condition. Contact angle is measured using a contact angle goniometer. The contact angle is not limited to a liquid/vapour interface; it is equally applicable to the interface of two liquids or two vapours.

折叠 编辑本段 测量方法

接触角现有测试方法通常有两种:其一为外形图像分析方法;其二为称重法.后者通常称为润湿天平或渗透法接触角仪.但目前应用最广泛,测值最直接与准确的还是外形图像分析方法.

外形图像分析法的原理为,将液滴滴于固体样品表面,通过显微镜头与相机获得液滴的外形图像, 再运用数字图像处理和一些算法将图像中的液滴的接触角计算出来.

计算接触角的方法通常基于一特定的数学模型如液滴可被视为球或圆椎的一部分,然后通过测量特定的参数如宽/高或通过直接拟合来计算得出接触角值。Young-Laplace方程描述了一封闭界面的内、外压力差与界面的曲率和界面张力的关系,可用来准确地描述一轴对称的液滴的外形轮廓,从而计算出其接触角。

纸张的接触角测量可参照 Tappi T 558执行。

烟用纸张的接触角可参照我国制烟行业的行业标准YC/T 424-2011"烟用纸表面润湿性能的测定 接触角法"执行。

接触角测量方法可以按不同的标准进行分类。按照直接测量物理量的不同,可分为量角法、测力法、长度法和透过法。按照测量时三相接触线的移动速率,可分为静态接触角、动态接触角(又分前进接触角和后退接触角)和低速动态接触角。按照测试原理又可分为静止或固定液滴法 、Wilhemly板法 、捕获气泡法、毛细管上升法和斜板法 。

折叠 编辑本段 其他

另外机械上常指轴承接触角:

在球轴承中,球与内外圈沟道的接触,一般各为一点。接触点连线沿沟道法线并且通过球中心。外部负荷则沿着该直线,由一个套圈传递至另一个套圈,因此,人们称之为轴承压力线,并将压力线与径向平面之间的二面角称为压力角。

在滑动轴承中,是指轴颈与滑动轴承的接触面所对的圆心角。接触角不可太大也不可太小。接触角太小会使滑动轴承压强增加,严重时会使滑动轴承产生较大的变形,加速磨损,缩短使用寿命;接触角太大,会影响油膜的形成,得不到良好的液体润滑。试验研究表明,滑动轴承接触角的极限是120°。当滑动轴承磨损到这一接触角时,液体润滑就要破坏。因此再不影响滑动轴承受压条件的前提下,接触角愈小愈好。从摩擦力距的理论分析,当接触角为60°时,摩擦力矩最小,因此建议,对转速高于500r/min的滑动轴承,接触角采用60°,转速低于500r/min的滑动轴承,接触角可以采用90°,也可以采用60°。

由于其摩擦力矩小所以在工程建设中广泛运用于防水分项工程,在防水分项工程底基层施工时,地面与墙面的接触角通常做成R角形状以达到防水的作用。

折叠 编辑本段 工业应用

任何两相物体相接处时,接触面的表面张力就表现为界面张力。用表示。

当气体在水中固体表面附着并达到平衡时,任意两相之间的界张力

可以看出,当3个力达到平衡时,有如下的平衡方程式,即:

固气= 固液+ 液气

式中,固气、液气和固液分别为固-气、和固-液界面的表面张力(或表面自由能);为接触角。这一平衡状态方程式杨氏在1805年确定的,称为杨氏方程。

上式表明,接触角式三个相界面自由能的函数,它既与矿物表明性质有关,也与液相、气相的界面性质有关。凡是恩能够因其任何三相界面自由能改变的因素,都额可以影响矿物表面的润湿性。

接触角度量与矿物可浮性的关系。根据杨氏方程,由θ的大小,可以度量不同矿物润湿程度的高低。 当θ<90°,固气>液气,液滴被拉开,沿矿物表面展开,矿物表面被润湿,表现为亲水。

θ>90°,固气< 液气,液滴收缩,沿矿物表面聚集成珠状,矿物表面不易被润湿,表现为疏水。

θ=90°,cosθ=0,规定为疏水表面与亲水表面的分界线。当θ=0,cos θ=1,固体被液体完全润湿。

θ=180°,cosθ =-1,液滴对固体完全不润湿。

即接触角愈大,cos θ愈小,其可浮性愈好。并且cos θ值介于-1~1之间,于是对矿物的润湿性与可浮性的度量定义为

润湿性=cosθ

可浮性=1-cosθ

接触角与矿物可浮性之间的关系式:接触角愈大,cos θ值就愈小,其润湿性愈弱,则可浮性愈好;反之,接触角愈小,cos θ值就愈大,其润湿性愈强,则可浮性愈差。

矿物接触角可以测得,下表列出了部分矿物的接触角测定值,依据接触角可大致判断各种矿物的天然可浮性。

部分矿物接触角测定值

矿物名称

接触角/(°)

矿物名称

接触角/(°)

78

黄铁矿

30

滑 石

64

方解石

20

闪锌矿

46

石 英

0~4

莹 石

41

云 母

约0

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