解讀影響接觸角值的因素有哪些

更新時間：2021-01-08

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接觸角是一用來衡量一液體在一固體表面的潤濕性（鋪展性）的參數，其數值大小取決于液體和固體表面的特性（屬性）。

對接觸角數值大小能產生直接影響的液體屬性主要包括液體的表面張力，以及引起表面張力的分子作用力的本質，如極性（polar）和非極性（disperse）作用力的組份。如果液體是一多組分體系（如涂料），液體的表面張力一般呈現時間依賴性（動態表面張力），也就是表面張力會隨著時間發生變化（一般是隨時間下降），這會引起接觸角也隨著時間發生相應的變化（隨著液體表面張力的降低，接觸角減小）。

決定接觸角大小的另一因數是固體表面的屬性。這里所指的屬性可以有不同的范疇：

1.固體表面的表面自由能及其分子作用力的本質，如極性和非極性作用力的組份。可以認為固體表面的表面自由能是由其分子作用力的大小和本質以及分子在表面的排列、結構所決定的；對于一給定的固體表面，其表面自由能數值也應是給定的。但固體表面與液體表面不同，后者幾乎瞬間可以達到平衡，而固體表面由于分子的運動受到限制，在現實中很難達到真正意義上的平衡態。固體表面隨著時間的松弛，從理論上講，也會影響接觸角的數值，而實際中這一點也往往可以被觀察到。

2.固體表面的其它屬性。除了上面提到的分子作用力的本質，一些其它的物理、化學屬性也會影響接觸角的大小。它們包括：

a.固體表面的平整、光滑性，或者用其對立面來衡量，也即表面的粗糙度。粗糙度可以是無序的表面凸、凹的分布，也可以是確定的、非常有序的、規則的微結構分布，這些特征的尺寸可以是微米或納米數量級的。

表面的粗糙度將會對液體在固體表面的表觀接觸角產生影響。表觀接觸角是指通過一般的（宏觀）接觸角測量技術（包括光學法和稱重法）觀測、測得的接觸角數值，也就是我們能通過視頻光學測量法獲得的數值。表觀接觸角的大小在很大程度上受到液滴與固體表面形成的三相接觸線/周邊的影響：如果表面是非常平整的、光滑的，那么三相接觸線在鋪展過程中不會遇到任何阻滯，液滴終將達到其相應的熱力學平衡態，呈現的（平衡）接觸角也只由液體和固體表面的分子作用力的本質所決定，這樣的接觸角也稱為楊氏接觸角楊氏接觸角只與液體的表面張力 γlv
γlv
, 固體表面的表面自由能 γsv
γsv
和固體表面與液體接觸形成的固/液-界面的界面張力 γsl
γsl

如果固體表面呈現出尺寸足夠大的粗糙度，三相接觸線在鋪展過程中就會遇到粗糙結構的阻滯，使其無法總是跨越障礙、達到熱力學平衡態。在這種情況下，液滴在固體表面形成的表觀接觸角就不再是一恒定值，而是可在某一范圍內波動，具體的數值大小取決于液滴的三相接觸線形成的方式和經歷。這一現象被稱為接觸角的滯后效應。對于這樣的固體表面，只測量一個接觸角的值并不能完整地描述其潤濕行為，而應該通過測量前進接觸角、后退接觸角和滑動角來表征

如果引起固體表面粗糙度的微結構非常精細，尺寸在亞微米或納米數量級，而且固體材料與液體的接觸角值又是在90度以上，此時預先進入到微結構內的空氣將不會被液體擠走，而是被液體包圍而滯留在微結構內，起到填補微結構空域的作用，從而形成空氣和固體表面相交叉的復合表面。空氣的存在將進一步提高表觀接觸角的數值，可以說，任何水的表觀接觸角大于120度的固體表面，都存在這樣的微結構，是一空氣和固體材料形成的復合表面，觀測到的表觀接觸角值可以認為是液體在固體表面和空氣表面的接觸角的某一比例平均值（水在空氣表面的接觸角值被認為高達180度！）。自然界的荷花葉，和近幾年來制備的超疏水性表面均是這樣的例子。

接觸角在涂料工業，制造具有粗糙形貌表面的一典型技術是運用無光澤涂料。在簡單的情況下，可通過在涂料中添加一些固體的、消光劑，這些消光劑在經過涂料干燥工序后會作為細微的疙瘩露出在涂料表面，因為在干燥過程中由于溶劑揮發和膠合劑的硬化萎縮會引起涂料的體積收縮。消光劑顆粒的大小決定了表面形貌的尺寸。

通過選擇合適的消光劑顆粒，涂料基體和色素體積濃度就可以控制涂層表面的粗糙度，從而控制水滴在得到的表面上的接觸角大小。采用這種方法可以獲得水接觸角在140度以上的（超）疏水表面。

b.固體表面的化學屬性分布不均勻性：這里的化學屬性是指化學組成。由于種種原因，固體表面的化學組成分布可以呈現出不均一性：這可以是制造過程造成的，可以是相分離引起的，可以是清洗不*留下的，也可以是被污染（雜質）所致等。化學屬性分布的不均勻性對接觸角產生的影響在一定程度上可以與表面粗糙度相比擬：不同的化學組分與液體的作用力也不同，作用力較強的組分將對液滴起到銷住效應，阻滯它鋪展到平衡狀態。所以化學屬性分布的不均勻性將同樣地引起接觸角的滯后效應，擴大可呈現的表觀接觸角的數值范圍。

3.溫度和空氣的濕度有時候也會影響接觸角的大小。但如果溫度或濕度的變化范圍不是很大，一般情況下，對接觸角產生的影響也不會很大。

從上面的討論可以看出，對于涂料這類表面，接觸角不但與涂料的化學組成有關，也與表面的光潔度有關。在同一涂料配方中添加不同的色素，不但改變了涂料的化學組成，也可能改變涂層表面的粗糙度。另外色素有可能聚集在涂層表面，這將更大程度上造成表面屬性的改變。所以添加不同的色素得到的涂層表面，可能呈現出不同的接觸角。