潤濕與不潤濕現(xiàn)象是液體與固體接觸處的一種表面現(xiàn)象。潤濕與不潤濕取決于液體分子與固體分子問的相互作用力(稱為附著力)大于或小于液體分子間的相互作用力(稱為內(nèi)聚力)。分子問引力有一作用范圍,與固體接觸處的接觸面對液體分子的影響也有一定的范圍。設(shè)固、液分子間的引力有效作用距離為/,液、液分子問的引力有效作用距離為眾,則在液、固接觸處,厚度的較大者的一層液體中的分子受力情況將與內(nèi)部的液體分子受力情況有所不同,它們將受到接觸面的影響,這層液體我們稱之為附著層。
實(shí)驗(yàn)表明,不同液體對不同固體潤濕與不潤濕的程度不同,為表明這種潤濕或不潤濕的程度,引入接觸角這個物理量。在液體與固體接觸處,作液體表面的切線與固體表面的切線,這兩條切線通過液體內(nèi)部所成的角度,稱為接觸角。
在材料表面上附著的液滴會呈現(xiàn)出一定形狀,這個形狀取決于固體-液體-氣體各界面之間的張力平衡。1805年ThomasYoung首先提出了一個方程描述這個平衡態(tài),從此接觸角測量就成為評價液體對固體表面潤濕的經(jīng)典方法。就接觸角的數(shù)值而言,接觸角越小說明固體表面越容易被液體潤濕,接觸角越大說明固體表面越難被液體潤濕。
實(shí)際上接觸角值是通過測量液滴輪廓在三相接觸點(diǎn)處的一階導(dǎo)數(shù)即切線的斜率而得到的,而三相接觸點(diǎn)附近的液滴輪廓會受到各種光線的干擾,或者由于材料不夠平整遮掩住三相接觸點(diǎn)附近的輪廓。所以光學(xué)法接觸角測量并不是對數(shù)碼照片上的某個夾角直接測量而得到的,而是使用不同的數(shù)學(xué)模型擬合液滴輪廓,再通過計(jì)算得到的。
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,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,形成的接觸角與各界面張力之間符合下面的楊氏公式(YoungEquation):
γs,g=γs,l+γg,l×cosθ
由它可以預(yù)測如下幾種潤濕情況:
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)。