固体表面动态接触角的测定
一．目的与要求
1.了解固体表面接触角的测量及表面能的计算原理。
2.掌握润湿周长、接触角、表面能的实验测试方法及实验操作。
二．仪器与药品
DCA-150界面分析仪
正己烷（A.R.）；无水乙醇（A.R.）；二次蒸馏水；聚苯乙烯（Pst）样品
三．基本原理
接触角是表征固体物质润湿性最基本的参数之一，据测量的原理的不同，接触角又可分成平衡接触角和动态接触角（dynamic contact angle），动态接触角（包括前进接触角（advancing contact angle）和后退接触角（receding contact angle）两种。
早在20世纪初期，Wilhelmy测试液体表面张力及接触角的方法：将一定的待测液体装在特定容器中，尽可能垂直固定悬挂的铂金板，升起液面至刚好与铂金板的下边缘相接触，此时铂金板受到液面向下的拉力即为液体的表面张力r
r ＝ F w / (L·cosθ) （1）
r－液体表面张力（Dyn /cm）；F w —吊片所受的力（Dyn）；L—润湿周长（cm）；θ—接触角（°）；
由于绝大多数的液体对于°铂金是完全润湿的，即接触角θ为0°，所以只要知道润湿周长，就可从（1）式很方便计算得到液体的表面张力
1.平衡接触角
又叫静态接触角，根据Wilhelmy理论，只要将待测固体加工成规定尺寸的片状样品，然后垂直悬挂与已知表面张力的液面接触，同样可以依据（1）计算得到液体在固体表面的平衡接触角。
2.动态接触角
Wilhelmy法：如图2依据Wilhelmy理论，把样品板插入到液体中然后抽出来，通过测量样品板受力变化计算得到液体在固体表面的动态接触角的大小。
图1 Wilhelmy平板法测定液体在固体表面的动态接触角
样板在进入液体后，测得的受力由两方面组成：Wilhelmy力F w和浮力F a，F w仅和液体的表面有关，在插入和抽出液体过程中，F w大小是恒定不变的，并能满足（1）式；而F a则随样板的真实几何形状及浸入深度d的变化而改变
F a＝ρ·g·l·w·d （2）
式中，ρ－液体的密度；g－重力加速度；l－样板长度；w－样板厚度。当前进接触角和后退接触角都为90°时，cosθ为零，此时样板受力大小仅是浮力的贡献，此时样板的受力大小与样板在液体中的浸入深度成线性关系。依据液体在插入和抽出过程中受力的变化利用（3）式计算得到液体在固体表面的前进接触角和后退接触角：
cosθ＝（F w＋F a）/ (r·L) (3)
四．实验步骤
1.制样
将测定的固体固体成10×20×1mm尺寸的薄板，用作实验测试的样板。
2.启动仪器和电脑控制系统的电源，调整恒温槽温度到指定测试温度。
3.测定指定温度下各种液体的表面张力r
4.启动接触角测试软件：点击“Contact Angle Measurement”按钮，
5.用正己烷测量润湿周长：点击“New Measurement”，然后选择“Wetted Length”。
记录测得的数据
6.用水和乙醇分别测量固体的接触角：“New Measurement”，然后选择“Contact
Angle”，输入测量所需的参数，点击“run”在点击“Start measurement”。
7.测量不同温度条件下，不同液体在固体表面的动态接触角
8.试验结束，关闭电源，清洁干净仪器，冷却后罩上盖布。
9.填写实验仪器使用记录
五．数据处理
1.实验记录
2.作图
作温度－θa 和温度－θr关系曲线。
3.总结化学物质组成、温度对固体表面张力影响的基本规律。
六．实验注意事项
在实验的每个环节注意动作的轻巧和协调性，必须严格保持实验环境清洁。
光学接触角测量仪可以记录液滴图像并且自动分析液滴的形状.液滴形状是液体表面张力、重力和不同液体样品的密度差和湿度差及环境介质的函数.在固体表面上，液滴形状和接触角也依赖于固体的特性（例如表面自由能和形貌）.使用液滴轮廓拟合方法对获得的图像进行分析，测定接触角和表面张力.使用几种已知表面张力的液体进行接触角测试可以计算得到材料的表面自由能. 作为光学方法，光学接触角测量仪的测量精度取决于图片质量和分析软件.Attension光学接触角测量仪使用一个高质量的单色冷LED光源以使样品蒸发量降到最低，高分辨率数码镜头、高质量的光学器件和精确的液体拟合方法确保了图片质量. 一、影像分析法接触角测试仪原理 影像分析法是通过滴出一滴满足要求体积的液体于固体表面，通过影像分析技术，测量或计算出液体与固体表面的接触角值的简易方法.作为影像分析法的仪器，其基本组成部分不外乎
光源、样品台、镜头、图像采集系统、进样系统.简单的一个影像分析法可以不含图像采购系统，而通过镜头里的十字形校正线去直接相切于镜头里观察到的接触角得到. 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. 仪器基本组成：光源、样品台、镜头、图像采集系统、进样系统. 二、插板法接触角测试仪原理 固体板插入液体时，只有板面与液体的夹角恰好为接触角时液面才直平伸至三相交界处，不出现弯曲.否则，液面将出现弯曲现象.因此，改变板的插入角度直至液面三相交界处附近无弯曲，这时，板面与液面的夹角即为接触角.
一、测试样品的制备： 1．尽量保持测试样品本身的洁净度。 2．尽量保持测试样品表面的水平度。固体粉末样经充分干燥后，压成片状；粘稠状样先溶解在强挥发性溶剂中后成膜，干燥后再测试。 3．确认测试样品的尺寸是否符合要求。最好是直径小于150mm。 4．测试过程中，不可用手接触测试区域。 5．为保证测试结果更符合实际值，测试过程会进行多次测试。 二、测试过程： 1．参数的设置： 启动程序→选择测试向导→普通接触角→选择图像来源→新建一个测试报告（如图一所示）→校正测量界面（如图二所示）→类型1（平面样品）→测量方法（悬滴法）→测试环境（标准环境如图三所示）→测试模式（如图四所示）→测试实时窗口控制主界面（如图五所示） 图一图二 图三图四
图五 2. 吸取测试液体、完成液滴转移过程： 具体操作步骤如下： A 从进样器中滴出液滴，体积为2ul左右。 B 从镜头内可以看到液滴会形成如图1所示图像。然后，将针头向下移动。直到接触到样品表面如图2。注意，不要过度向下，以免压弯针头。 C 移动针头向上。由于表面张力体系的作用，液体会留在样品表面如图3所示。继续移动针头，直到从镜头内消失，通常为3mm左右。 D 通过如上过程，我们完成了一次进样过程。如果您需要再次测第二个位置，请重复如上操作即可。 E 调整水平线位置。通过鼠标选中实时窗口内的红色水平线，然后通过键盘上下键或鼠标调整水平线的位置。请对比图4与图3，前者已经调到水平接触位置。 3. 完成测试液滴转移后，按“测试”，即进入实际测试过程 测试过程，会弹出如下界面：
三、数据的处理及保存 1. 测试数据分析及管理界面如下所示： 2．进入θ/2 法人手修改接触角界面，如下所示： 调整接触角点位置的具体步骤： A 通过逐个选中3个点，将上点位于液滴最上面，左点位于液滴最左边，右点位于液滴最右边。如图所示
测试接触角实验申请 实验内容：主要测定水、乙二醇、二碘甲烷在石墨、石英、绢云母、柴油上的接触角。 实验目的：通过测定水在石墨、绢云母、石英的接触角，以表征石墨、绢云母、石英的疏水亲水性；通过测定水、乙二醇、二碘甲烷在石墨、石英、绢云母、柴油上的接触角，可以用来石墨、石英、绢云母的表面能的计算和隐石墨浮选体系中矿物与水、捕收剂与水、矿物与气泡、矿物与捕收剂之间等一系列界面相互作用自由能的计算，进而对各界面之间的范德华力、疏水引力、水化斥力等界面热力学行为进行研究。 样品加工：采用压片机对辉钼矿样品进行压片，制各样品。压片时样品质量为10g，压片压力为2．45×104kPa，压片直径为20mm，压片表面平整光滑。采用“浸渍法”制备捕收剂表面膜，剪取尺寸为20mmx20mm的空白铜板纸，浸入捕收剂纯液中，浸渍时间1min，置于硅胶干燥器内干燥24h，备用。 采用GBX润湿角测量仪测量液体在崮体表面上的接触角。测量时，按照测量接触角的步骤、小心地滴加在固体表面，形成液滴，取10次读数的接触角平均值作为该座滴的接触角。所有测量均在室温(25℃)进行。 实验方法 测量接触角步骤( 自动滴管, 自动平台) 1. 打开计算机 2. 打开接触角仪器的开关 3. 在计算机“桌面”上, 点选GBX digidrop 的快捷方式, 打开接触角的测量与分析软件 4. 选择新的测试选单 5. 选择“Surface Energy Menu” 6. 将滴管针头申到镜头所能看到的范围之内 7. 利用仪器上左下角的旋钮, 将镜头聚焦在滴管之上(通常是滴管最清析, 最大的位置) 8. 在操作软件上的右上角, 点选MVT, 叫出操作选单 9. 选择液滴的大小(VOL) 10. 选择连续摄影模式 11. 将开始拍照录像的时间改成0ms 12. 请点选使用自动成滴系统 13. 请点选“single”, 开始一次的测试 14. 等待仪器自动滴水, 桌面自动升降, 自动在桌面上形成液滴 15. 选择左方的分析功能, 得到你的接触角角度(一共有七种方法, 根据需要选择) 16. 得到你所需要的接触角值 分析表面/界面自由能步骤 ( 在进行本实验之前?Zisman 至少必需准备两种以上的液体, 其它公式必需准备三种以上的液体, 需要极性还是非极性的液体, 请参考)
现代计量测试1998年第1期 测量接触角的一种新方法 王中杰 刘滨春 (东北大学自动化研究中心 沈阳 11006) (空军长春飞行学院力学教研室) 摘要:本文把图像处理技术引入接触角测量中,大大提高了接触角测量的精度。基于此所研制的接触角测量仪具有精度高、重复性好、操作简单、使用方便等一系列优点。 关键词:接触角,边缘提取,最小二乘法 一、引言 所谓接触角,是指在一固体水平平面上滴一液滴,固体表面上固、液、 气三相交界点处其气—液 图1 接触角的形成界面和固—液界面两切线把液相夹在其中时所成的角,如图1所 示。 接触角的测量问题是一项涉及范围极广的技术,在科研、国 防、工业、农业等许多领域都有很重要的应用。通过测量接触角, 可以研制减粘降阻材料,以满足金属抛光、试剂表面特性测定、润 滑油的特性标定、印刷行业、防水行业、浮选工作、焊接工作和搪 瓷等行业的需要。接触角的测量技术虽然具有很长的研究历史,但每种方法都有一定的局限性,远远不能满足各行各业的需要。 因此,寻求一种精确、有效的接触角测量方法是一个亟待解决的 问题。 二、实验装置 实验装置由三部分组成:JJC -1型接触角测量仪、液摘控制装置和微机图象处理系统。 JJC -1型接触角测量仪的结构如图2所示。 该仪器由底座、测量显微镜、样品盒和照明光源组成。样品盒用来放液滴,可按直角坐标任意移动。液滴控制装置由螺旋测微器和毛细吸管组成。微机图象系统的基本结构是:微机+图象采集显示卡+监视器+摄像机。微机的配置为:CPU 采用80486或80486以上,内存容量8M B ,硬盘40M B ,外接鼠标器。图象采集显示卡采用P 550双帧伪彩色图象采集显示卡。 JJC -1型接触角测量仪的工作过程是:用摄像机对景物进行实时或准实时采集,经A D 变换后,图象存储在图象存储单元的一个或几个通道中,D A 变换电路自动将图象实时显示在图象监视器上,然后可对图象进行处理或存盘。监视器是图象处理系统中必不可少的图象输出显示设备,其最高分辨率为800点×600行。摄像机主要完成图象的获取,其输入信号是光信号,摄像机的最前端就是一组光学镜头,其输出信号是电信号,作为图象采集显示卡的输入。液滴的采集路径如图3所
实验项目：用接触角测量仪测量材料表面的接触角 一．实验目的： 1．认识和掌握接触角测量仪测量材料表面的接触角的基本原理 2．熟悉接触角测量仪JC2000D1的操作技术 二．实验容： 1．掌握JC2000D1型接触角测量仪的工作原理和操作步骤 2．测量几种材料的表面接触角 三．实验仪器，设备及材料 设备JC2000D1型接触角测量仪，蒸馏水，解玻片，食盐水，样品木板几个 四．基本原理概述 1．接触角定义及应用 当液滴自由地处于不受力场影响的空间时，由于界面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部的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，接触角通俗地说，就是液滴在固体表面自然形成的半圆形态相对于固体平面的外切线，如图1所示。 接触角的应用非常广泛，甚至可以说涉及到身边的每个细节，我们希望汽车玻璃上不沾雨水，但反之我们希望汽车钢板上的油漆永不脱落。其他比如农药和蔬菜叶面；涂料和外墙面，绝缘材料，纳米材料表面化改性等等，从教学科研工农业生产到日常生活。 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，这些界面力在水平方向上的分力之和应等于零，即 (1) 式中、、分别为固-气、液-气和固-液界面力；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 （contact angle），在之间。接触角是反应物质与液体润湿性关系
的重要尺度，可作为润湿与不润湿的界限，时可润湿， 时不润湿。 2．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，用来表示。润 湿可分为三类：粘附润湿（adhesional wetting）、铺展润湿 （spreading wetting）和浸湿（immersional wetting）。可从图2看出。 图2 三类润湿 （1）粘附润湿 如果原有的1固面和1液面消失，形成1固-液界面，则此过程的 为： （2） （2）铺展润湿 当一液滴在1固面上铺展时，原有的1固面和一液滴（面积可忽略不计）均消失，形成1液面和1固－液界面，则此过程的为： （3） （3）浸湿 当1固面浸入液体中时，原有的1固面消失，形成1固－液界面，则此过程的为： （4） 对上述三类润湿，和无法测定，如何求？分别讨论如下： （1）粘附润湿
接触角的测定实验报告
液-固界面接触角的测量实验报告 一、实验目的 1. 了解液体在固体表面的润湿过程以及接触角的含义与应用。 2. 掌握用JC2000C1静滴接触角/界面张力测量仪测定接触角和表面张力的方法。 二、实验原理 润湿是自然界和生产过程中常见的现象。通常将固-气界面被固-液界面所取代的过程称为润湿。将液体滴在固体表面上，由于性质不同，有的会铺展开来，有的则粘附在表面上成为平凸透镜状，这种现象称为润湿作用。前者称为铺展润湿，后者称为粘附润湿。如水滴在干净玻璃板上可以产生铺展润湿。如果液体不粘附而保持椭球状，则称为不润湿。如汞滴到玻璃板上或水滴到防水布上的情况。此外，如果是能被液体润湿的固体完全浸入液体之中，则称为浸湿。上述各种类型示于图1。 图1 各种类型的润湿 当液体与固体接触后，体系的自由能降低。因此，液体在固体上润湿程度的大小可用这一过程自由能降低的多少来衡量。在恒温恒压下，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2所示。
图2 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，这个平衡关系就是著名的Young方程，即 γSG- γSL= γLG·cosθ(1) 式中γSG，γLG，γSL分别为固-气、液-气和固-液界面张力；θ是在固、气、液三相交界处，自固体界面经液体内部到气液界面的夹角，称为接触角，在0o-180o 之间。接触角是反应物质与液体润湿性关系的重要尺度。 在恒温恒压下，粘附润湿、铺展润湿过程发生的热力学条件分别是： 粘附润湿W a=γSG - γSL + γLG≥0 (2) 铺展润湿S=γSG-γSL-γLG≥0 (3) 式中W a，S分别为粘附润湿、铺展润湿过程的粘附功、铺展系数。 若将(1)式代入公式(2)、(3)，得到下面结果： W a=γSG+γLG－γSL=γLG(1+cosθ) (4) S=γSG-γSL-γLG=γLG(cosθ-1) (5)以上方程说明，只要测定了液体的表面张力和接触角，便可以计算出粘附功、铺展系数，进而可以据此来判断各种润湿现象。还可以看到，接触角的数据也能作为判别润湿情况的依据。通常把θ＝90°作为润湿与否的界限，当θ
接触角测量技术的应用 丁晓峰Ξ,陈沛智,管 蓉 (有机功能分子合成与应用教育部重点实验室,湖北大学化学化工学院,武汉430062) 摘 要:总结了接触角测量技术在石油工业、浮选工业、医药材料、芯片检测、 无毒低表面能防污材料测试表征方面的应用,为扩大接触角测量技术在其它领域的应用提供一些启发。 关键词:接触角;测量;应用;润湿 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[1] 。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[2～8] 。1 基础理论液体与固体接触时的润湿情况有两种。第一种情况,液体完全润湿固体表面,即液2气(l 2v )界 面与固2液(s 2l )界面之间的接触角为00 。第二种情况,液体部分润湿固体表面,即液体在固体表面形成液滴,呈现非零接触角。如图1所示,对于此种情况的宏观液滴,三相界面张力满足Y oung 方程: γlv cos θ=γsv -γsl (1)其中,γ为界面张力,下标l 、v 和s 分别代表液相、气相和固相,θ为接触角。 在学术上普遍认可的接触角的定渝是[9] :过三相接触点,向l 2v 界面做切线,l 2v 界面切线与s 2 l 界面之间的夹角,即为接触角。 固体对某种液体的接触角越大,表明该液体 对表面的润湿性越差。例如,材料对水的接触角越小,表明材料的亲水性越强。 图1 固体表面上的液滴 2 接触角测量技术的应用2.1 在石油开采工业方面的应用 世界上已探明石油储量约一半为碳酸盐岩油藏。这些碳酸盐岩油藏中很多都有天然裂缝,形 成毛细管。由于毛细管作用,裂缝中的石油很难解吸出来,从而导致裂缝油藏的采收率一般都低于非裂缝油藏的采收率。为了提高裂缝油藏的采收率,就要首先测定裂缝岩石对水接触角,了解裂缝岩石的亲水、亲油性。如果裂缝岩石是水湿 的(对水接触角小于30° ),就可以采用注水驱油法采油,该方法属于二次采油。亲水性裂缝岩石的毛细管力容易吸入水,同时排除油,这样就可以提高采油率。然而,许多碳酸盐岩油藏(约80%) 是混和润湿(对水接触角大于30°小于150°)的或油润湿的(对水接触角大于150°)[10] 。这时就要采用 添加表面活性剂驱油,该方法属于3次采油。表面活性剂的加入是为了减小岩石对水接触角,增加 岩石的亲水性。Austad [11] 用阳离子表面活性剂,如 — 27—Ξ作者简介:丁晓峰(1982-),男,硕士研究生;E 2mail :xding -0@https://www.doczj.com/doc/0118434232.html,
液-固界面接触角的测量实验报告 一、实验目的 1. 了解液体在固体表面的润湿过程以及接触角的含义与应用。 2. 掌握用JC2000C1静滴接触角/界面张力测量仪测定接触角和表面张力的方法。 二、实验原理 润湿是自然界和生产过程中常见的现象。通常将固-气界面被固-液界面所取代的过程称为润湿。将液体滴在固体表面上，由于性质不同，有的会铺展开来，有的则粘附在表面上成为平凸透镜状，这种现象称为润湿作用。前者称为铺展润湿，后者称为粘附润湿。如水滴在干净玻璃板上可以产生铺展润湿。如果液体不粘附而保持椭球状，则称为不润湿。如汞滴到玻璃板上或水滴到防水布上的情况。 此外，如果是能被液体润湿的固体完全浸入液体之中，则称为浸湿。上述各种类型示于图1。 铺屣润星粘阳湿润不規润浸湿 图1各种类型的润湿 当液体与固体接触后，体系的自由能降低。因此，液体在固体上润湿程度的大小可用这一过程自由能降低的多少来衡量。在恒温恒压下，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2所示。
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，这个平衡关系就是着名的You ng方程，即 丫SG- 丫SL = 丫LG ■ COS 9 (1) 式中丫SG 丫LG, Y SL分别为固-气、液-气和固-液界面张力；9是在固、气、液三相交界 处，自固体界面经液体内部到气液界面的夹角，称为接触角，在0°-180°之间。接触角是反应物质与液体润湿性关系的重要尺度。 在恒温恒压下，粘附润湿、铺展润湿过程发生的热力学条件分别是: 粘附润湿W = 丫SG- 丫SL + 丫LG》0 铺展润湿S = Y SG - Y SL - Y LG》0 式中W, S分别为粘附润湿、铺展润湿过程的粘附功、铺展系数 若将(1)式代入公式(2)、(3)，得到下面结果: W= Y SG+ Y LG—丫SL= Y LG(1 +COS 9 ) (4) S=Y SG Y SL- Y L G= Y L G(COS 9 - 1) 以上方程说明，只要测定了液体的表面张力和接触角, 便可以计算出粘附功、 铺展系数，进而可以据此来判断各种润湿现象。还可以看到，接触角的数据也能作为判别润湿情况的依据。通常把9二90°作为润湿与否的界限，当9 >90 称为不润湿，当BV 90°时，称为润湿，9越小润湿性能越好；当9角等于零时，液体在固体表面上铺展，固体被完全润湿。 接触角是表征液体在固体表面润湿性的重要参数之一，由它可了解液体在一定固体表面的润湿程度。接触角测定在矿物浮选、注水采油、洗涤、印染、焊接等方面有广泛的
液-固界面接触角的测量 一、实验目的 1. 了解液体在固体表面的润湿过程以及接触角的含义与应用。 2. 掌握用JC2000C1静滴接触角/界面张力测量仪测定接触角和表面张力的方法。 二、实验原理 润湿是自然界和生产过程中常见的现象。通常将固-气界面被固-液界面所取代的过程称为润湿。将液体滴在固体表面上，由于性质不同，有的会铺展开来，有的则粘附在表面上成为平凸透镜状，这种现象称为润湿作用。前者称为铺展润湿，后者称为粘附润湿。如水滴在干净玻璃板上可以产生铺展润湿。如果液体不粘附而保持椭球状，则称为不润湿。如汞滴到玻璃板上或水滴到防水布上的情况。此外，如果是能被液体润湿的固体完全浸入液体之中，则称为浸湿。上述各种类型示于图1。 图1 各种类型的润湿 当液体与固体接触后，体系的自由能降低。因此，液体在固体上润湿程度的大小可用这一过程自由能降低的多少来衡量。在恒温恒压下，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2所示。 图2 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，这个平衡关系就是著名的Young方程，即 γSG- γSL= γLG·cosθ(1)
式中γSG，γLG，γSL分别为固-气、液-气和固-液界面张力；θ是在固、气、液三相交界处，自固体界面经液体内部到气液界面的夹角，称为接触角，在0o-180o之间。接触角是反应物质与液体润湿性关系的重要尺度。 在恒温恒压下，粘附润湿、铺展润湿过程发生的热力学条件分别是： 粘附润湿W a=γSG - γSL + γLG≥0 (2) 铺展润湿S=γSG-γSL-γLG≥0 (3) 式中W a，S分别为粘附润湿、铺展润湿过程的粘附功、铺展系数。 若将(1)式代入公式(2)、(3)，得到下面结果： W a=γSG+γLG－γSL=γLG(1+cosθ) (4) S=γSG-γSL-γLG=γLG(cosθ-1) (5)以上方程说明，只要测定了液体的表面张力和接触角，便可以计算出粘附功、铺展系数，进而可以据此来判断各种润湿现象。还可以看到，接触角的数据也能作为判别润湿情况的依据。通常把θ＝90°作为润湿与否的界限，当θ＞90°，称为不润湿，当θ＜90°时，称为润湿，θ越小润湿性能越好；当θ角等于零时，液体在固体表面上铺展，固体被完全润湿。 接触角是表征液体在固体表面润湿性的重要参数之一，由它可了解液体在一定固体表面的润湿程度。接触角测定在矿物浮选、注水采油、洗涤、印染、焊接等方面有广泛的应用。 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。原则上说，极性固体易为极性液体所润湿，而非极性固体易为非极性液体所润湿。玻璃是一种极性固体，故易为水所润湿。对于一定的固体表面，在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。 接触角的测定方法很多，根据直接测定的物理量分为四大类：角度测量法、长度测量法、力测量法，透射测量法。其中，液滴角度测量法是最常用的，也是最直截了当的一类方法。它是在平整的固体表面上滴一滴小液滴，直接测量接触角的大小。为此，可用低倍显微镜中装有的量角器测量，也可将液滴图像投影到屏幕上或拍摄图像再用量角器测量，这类方法都无法避免人为作切线的误差。本实验所用的仪器JC2000C1静滴接触角/界面张力测量仪就可采取量角法和量高法这两种方法进行接触角的测定。 三、仪器与药品 仪器：JC2000C1静滴接触角/界面张力测量仪，微量注射器，容量瓶，镊子，玻璃载片，涤纶薄片，聚乙烯片，金属片（不锈钢、铜等）。 试剂：蒸馏水，无水乙醇，十二烷基苯磺酸钠（或十二烷基硫酸钠）
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 θγγγcos ///A L L S A S += （1） 式中γ S/A 、 γ L/A 、 γ S/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（contact angle ），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，θ<90o 时可润湿，θ>90o 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W S/L 来表示。润湿可分为三类：粘附润湿（adhesional wetting ）、铺展润湿（spreading wetting ）和浸湿（immersional wetting ）。可从图2看出。 图2 三类润湿 （1） 粘附润湿 如果原有的1m 2 固面和1m 2 液面消失，形成1m 2 固-液界面，则此过程的W A S/L 为： W A S/L ＝γ S/A +γ L/A -γ S/L （2） （2） 铺展润湿 当一液滴在1m 2 固面上铺展时，原有的1m 2 固面和一液滴（面积可忽略不计）均消失，形成1m 2 液面和1m 2 固－液界面，则此过程的W S S/L 为： W S S/L ＝γ S/A -γ L/A -γ S/L （3） （3） 浸湿 当1m 2 固面浸入液体中时，原有的1m 2 固面消失，形成1m 2 固－液界面，则此过程的W I S/L 为：
接触角的测定实验报告 液-固界面接触角的测量实验报告 一、实验目的 1. 了解液体在固体表面的润湿过程以及接触角的含义与应用。
2. 掌握用JC2000C1静滴接触角/界面张力测量仪测定接触角和表面张力的方 法。 二、实验原理 润湿是自然界和生产过程中常见的现象。通常将固-气界面被固-液界面所取代 的过程称为润湿。将液体滴在固体表面上，由于性质不同，有的会铺展开来，有的则粘附在表面上成为平凸透镜状，这种现象称为润湿作用。前者称为铺展润湿，后者称为粘附润湿。如水滴在干净玻璃板上可以产生铺展润湿。如果液体不粘附而保持椭球状，则称为不润湿。如汞滴到玻璃板上或水滴到防水布上的情况。此外，如果是能被液体润湿的固体完全浸入液体之中，则称为浸湿。上述各种类型示于图1。
图1 各种类型的润湿 当液体与固体接触后，体系的自由能降低。因此，液体在固体上润湿程度的大小可用这一过程自由能降低的多少来衡量。在恒温恒压下，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所示。2 接触角的液滴存在，如图 图2 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，这个平 衡关系就是著名的Young方程，即 γ- γ= γ·cosθ (1) LGSGSL 式中γ，γ，γ分别为固-气、液-气和固-液界面张力；θ是在固、气、液三 SLSGLGoo-1800相交界处，自固体界面经液体内部到气液界面的夹角，称为接触角，在之间。接触角是反应物质与液体润湿性关系的重要尺度。 在恒温恒压下，粘附润湿、铺展润湿过程发生的热力学条件分别是： 粘附润湿 W = γ - γ + γ≥0 (2) LGaSGSL铺展润湿 S = γ - γ - γ≥0 (3) LGSGSL式中W，S分别为粘附润湿、铺展润湿过程的粘附功、铺展系数。a若将(1)式代入公式(2)、(3)，得到下面结果： －γ=γ(1+cosθ) =Wγ+γ (4) LGSLSGLGa S=γ-γ-γ=γ(cosθ-1) (5) LGSLLGSG以上方程说明，只要测定 了液体的表面张力和接触角，便可以计算出粘附功、铺展系数，进而可以据此来判断各种润湿现象。还可以看到，接触角的数θθ＝90°作为润湿与否的界限，当据也能作为判别润湿情况的依据。通常把 θθθ越小润湿性能越好；当＜90°时，称为润湿，＞90°，称为不润湿，当角等于零时，液体在固体表面上铺展，固体被完全润湿。 接触角是表征液体在固体表面润湿性的重要参数之一，由它可了解液体在
亲水性的测量方法——接触角的测量 【一】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）: 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。 【二】测试方法编辑 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。
视频光学接触角测量仪OCA操作手册 一开机顺序 1打开电脑2打开水浴（选配）3打开温控附件（选配）4打开仪器主机5打开仪器软件 二软件界面 打开软件后，软件界面为 软件界面 点开键，会弹出操作窗口（下图红圈） 操作窗口
在此窗口中，我们从上往下可以依次看到Maintenance，Reference Run，Device Control，Automation这几个选项卡。我们可以拖动它到屏幕右边。Maintenance和Reference Run是对仪器进行维护用的，相当于回到出厂设置，我们基本上不用动它。同样Automation这个选项我们也用不到。我们用到的最多的是Device Control这个选项，我们可以看到有一些图标在此选项卡里。 配置不同的附件，就会有不同的功能，对应不同的图标。在上图中，我们可以看到的图标有Dispense unit（注射单元窗口），Illumination（光源亮度），TBU90e（90°电动斜板附件），Temperature Sensor 1（温度探头1），Temperature Sensor 2（温度探头2），Temperature Sensor 3（温度探头3），Temperature Controller TEC 400（400°温控附件）。根据不同的配置，图标也会不同。 三结果窗口 打开结果窗口
每次进行实验之前，不论是接触角实验还是表面张力实验，都需要打开一个结果窗口Result Collection Window。它是用来收集结果处理数据用的，位置在File-New-Result Collection Window。 结果窗口 结果窗口大致分为三个部分。 1.左边一栏是显示数据用的，显示的物理量可以根据需求调整。步骤为：在空白处点击右键，选择Options，在弹出的窗口中，选择Display Colums。
中晨产品通俗系列讲义0601 如何选用接触角测量仪 接触角并不复杂，通俗的说，就是液滴在固体表面自然形成的半圆形态相对于固体平面的外切线。接触角的应用非常广泛，甚至可以说涉及到身边的每个细节，比如我们希望汽车玻璃上不沾雨水、但反之我们希望汽车钢板上的油漆永不脱落。其他比如农药和蔬菜叶面、涂料和内外墙面、绝缘油和绝缘材料、纳米材料表面改性等等，从教学科研、工农业生产到日常生活，举不胜举。 JC2000系列静滴接触角/界面张力测量仪主要用于测量液体对固体的接触角，即液体对固体的浸润性，也可测量外相为液体的接触角。该仪器能测量各种液体对各种材料的接触角, 例如块状材料、纤维材料、纺织材料等，粉末样品在压片后也可测量（注1）。同时此系列仪器可测量和计算表面/界面张力（悬滴法）、表面自由能。我公司生产最优质和完整的全系列接触角测量仪，选型时注意以下几方面： 1、JC2000C系列应用面最广，是指100×100mm常规平台情况下的不同选型（要求平台 稍大也可），低端型号比如JC2000C1保留少量手动部分，适合科研和教学，例如清华、北大、交大、中科院等。高端型号比如JC2000C8几乎一键式全自动，适合企业生产线翻班工人操作完全避免人为因素，例如三星电子、安靠封装、飞利浦、富士康、3M等。 详见选配价格列表（注2）。 如果是大学，一般推荐最经济实惠的JC2000C1就行，但是要注意询问对方是否有加热需要，如果需要应当选用电加热装置。另外，一些特殊要求比如做前进角、后退角研究、纤维接触角等，我们都可以按用户要求做。 2、JC2000X系列是指超大平台（比如52寸液晶屏不可切割测试，需要1200×900mm平 台），需要特制专门测试平台和结构，一般是了解客户2个需求定做：a、平台尺寸；b、平台中需要测试的点。（要求测试平台中部分点或边比要求测试平台中所有的点价格便宜）例如友达光电、彩虹股份。 3、JC2000Y系列特指测量凹面、凸面的接触角测量仪，比如眼镜硬片、隐形眼镜行业、 玻璃管铜管内壁，例如HOYA光学。 4、JC2000H系列指高温、高压等各种特殊行业的接触角（比如冶金行业需要高温接触角）。 价格根据用户需要的温度、压力、工作环境而定。注意高温和真空高温价格不同。
材料是人类生产和生活水平提高的物质基础，是人类文明的重要支柱和文明进步的重要里程碑。材料科学的发展推动社会发展，而材料科学的进步又取决于社会生产力和科学技术的进步。计算机作为一种先进的现代工具，在日常生活当中得到了越来越广泛的应用，计算机应用已广泛深入科学、技术、社会生活等各个领域。当今世界，几乎所有专业都与计算机息息相关。计算机在材料科学中应用也不断发展，其作用是明显的。比如显微镜的计算机系统、计算机用于新材料的设计、材料加工当中的计算机自动化控制，等等这些先进手段大大方便材料科学研究。许多大学的材料科学系早已经将《计算机在材料科学中的应用》列为学科基础课程。 接触角是材料表面润湿性能的重要参数之一。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。因此，接触角的测量在材料防护、医药、半导体、化妆品、生命科学、油墨工业及其他领域都有重要应用。表面自由能及其极性色散力分量（非极性分量）是固体表面最基本的热力学性质之一。诸多表面现象以及与表面性质有关的各向异性、润湿性、粘结性、吸附性等效应均与之密切相关。 接触角和表面能的测量和计算方法有多种，而且还在不断的发展完善，这些方法各有其使用范围和优缺点，没有一种技术能够测量所有固体表面的接触角。在实际的操作中应该根据具体情况，选择适合的测量方法。接触角数据应该与其他的表面分析技术相结合，今后将朝着高精确度、多功能化和在线分析的方向发展。 目前国内外对材料表面接触角的测量技术已经相当成熟。复杂至大型的计算量大的精密测量软件，简单至基本代码写制的计算仪；贵至几十万，而便宜至简单的基本代码写制的测量软件，对各种先进的仪器测量的出的数据能够满足不同的接触角与表面能的测量和计算需求。
S.E.O Application Note (5) 接触角理论 1. 评价薄膜的一般方法 A. XPS, FTIR, ATIR, Auger, SIMS等 长处：算出正确的数据 短处：高价的装备价格 要分析会花去很多时间及金钱 要运营管理这种需要背负艰巨的责任的高价装备需要很多的知识，假如是真空状态下运营的装备，有时集合物薄膜上掉出异物会产生问题。 B. 接触角测定仪(Contact Angle Analyze)的长处分析 a. 价格很便宜 b. 测定方法非常容易﹑简单，可尽快知道测定结果。 c. 可一下知道表面材质的亲水性及疏水性倾向 d. 因不影响薄膜，可进行更正确的测定 2. 什么是接触角？(What is Contact Angle?) 接触角是指液体在固体表面上用热力学达到平衡时所形成的角。 表面与液体之间的接触角测定是盛传于在粘着﹑表面处理及聚合物表面分析行业的分析技术，是 一种对于数?的单一层变化也较敏感的分析技术。 A. 接触角( θ)是显示固体表面可湿度的尺度，大部分由固着液滴来测定。 B. 低接触角：显示高的可湿度（亲水性， hydrophilic）和高的表面能。 C. 高接触角：显示低的可湿度（疏水性， hydrophobic）和低的表面能。 平平的固体表面接触的液体接触角在液体-固体-气体集合点，由液滴弧线的末点与固体表面的接触点测定。 3.接触角的种类 A. 静滴接触角（Static Method） 静滴接触角一般用于可湿度的测定，主要应用Sessile drop的方法测定。可以更换溶液认出表 面特性。 长处：- 容易只测定物体的一面 -使用的试剂的量很少所以非常经济
接触角测定仪操作步骤： 1.连接电源，打开主机。打开接触角软件图标。 2.开始实验： 调节工作台位置（顺时针旋转手轮工作台上移） 调节针头位置 点击“注液”图标，开始注液，液体根据设定的体积流出悬挂在针头上。 旋转手轮使工作台上升，让固体接触液滴，然后迅速下降使液滴两角与红色水平线重合。 点击软件界面上方工具栏“采集当前显示的图像”图标，拍下图片进行接触角测量。 (1).三点圆法：点击“手工做圆、切线法”图标。点击液滴的一端，点击圆周上的一点，再点击液滴的另一端，返回点击第一个端点，最后点击另一端。接触角自动显示。点击右键出现“将计算结果保存到图片上”。 (2)切线法：点击“采用人工做图切线法计算”图标。点击液滴的一端，再点击液滴的另一端，然后沿着液滴外轮廓做一条切线。接触角自动显示，右键点击保存到图片上即可。 (3)基线圆法：点击“基准线测量法”图标。选择水平线位置（双击鼠标左键），点击圆周上第一个点（左端点），点击圆周上第二个点（右端点），最后点击圆周上第三个点（上端点）。接触角自动显示，右键点击保存到图片上即可。
悬滴法表面张力的测定： 自动测定： 1.点击“注液”使液滴流出悬挂在针头上。点击“采集当前显示的图像”将抓拍的液体悬滴显示在测量屏内。选择“标定横向尺寸”图标，在毛细管一侧点击一下不要松开，拉向另一侧点击一下，弹出“标定图像”对话框。输入尺寸（针管直径：0.51mm）。 2.点击菜单栏中的“处理”，选择“悬滴法表面张力测定”，点击软件界面中下方“计算结果”会弹出对话框，输入“外项密度”（一般是空气）和“内项密度”。点击“计算”、“退出”，结果将自动显示。 手动测定： 1.同“自动测定”第1步。 2.点击“手动测量悬滴”图标。在悬滴图像最宽处点击一下，拉向另一端点击，出现一条红色的竖线，将它移动到图像的最低端点击，上方形成一条横线。在横线与液体边缘相交点点击一下，拉向另一个相交点再点击。 3.点击菜单栏中“处理”“计算”“悬滴法界面张力”，输入相关项，点击“计算”、“退出”，结果自动显示。