1.平衡接触角/本征接触角/化学接触角/材料原始接触角e θ： 图1理想平面的平衡接触示意图 在理想的光滑平整表面上，表面接触角与三个界面张力之间存在以下关系： cos LG e SG SL γθγγ=-（cos e SG SL σθγγ=-） 式中，SG γ、SL γ和LG γ分别表示气-固、液-固和气-液的界面张力，e θ是气-液-固三相平衡时的接触角，成为平衡接触角或本征接触角，此方程即Young ’s 方程，也称润湿方程。 2.表面微观接触角/实际接触角e θ： Betelu 等发现表面微观接触角不仅与表面相互作用有关，而且与气-液-固三相接触线长度也有密切关系，这主要是由于线张力（Line tension, τ） 的存在增加了液滴的超额自由能。由热力学方法可以得出： cos SG SL LG e B r τγγγθ=++ 结合Young ’s 方程，可以变换为： 1cos cos e LG B r τθθγ∞=- τ为线张力， B r 为液滴与固体表面圆形接触面的半径，θ∞为宏观条件下的表面接触角，上式也成为修正Young ’s 方程。 3.表观接触角* θ: Wenzel 状态：cos cos w e r θθ= w θ称为表观接触角，表面粗糙度r 为粗糙表面的实际面积与其水平投影面积之比。 Cassie 状态：cos 1(1cos )c s e f θθ=-++
c θ为非均相润湿下的表观接触角，s f 为与液体接触的固体表面占投影面积的比例。 4．表面临界转换接触角Crit θ： Crit 11(1)()f r f θ=-- 如果材料表面原始接触角小于公式中的临界接触角，那么液体和固体接触部分所包含的空气是不稳定的，Cassie 接触状态很容易转变成Wenzel 接触状态。为获得稳定的空气层， 固体表面必须足够的疏水，临界转变角足够小，因为Cassie 接触状态只有在*θ>Crit θ或 *cos 1r θ<-时候是稳定的。 5. 前进角A θ和后退角R θ： 考虑放置在一个固体上的一滴液体。如果液滴被注水，则它会变大，它的接触角会逐渐增大直到达到临界值A θ，在临界值接触线开始前进。相反的，如果液滴中的水被抽离，它的接触角会逐渐减小直到达到临界值R θ，在临界值接触线开始后退。 6. 接触角滞后/滚动角θ?： 观察到的静态接触角θ可能位于由前移和后移接触角所限定范围A R θθθ>>内的任意位置。对于给定的三相系统，这一静态值的限定范围称为接触角滞后=-A R θθθ?。θ?与液体在固体上的附着力相关，表征液滴在固体表面滚动的难易程度。 7. 静态接触角：静止平衡态时刻的接触角。 8. 动态接触角：接触线具有一定的速度，非静止平衡态时刻的接触角。 表面湿润性与接触角密切相关, 湿润动力学研究的目的是揭示接触角(此时常称为动态接触角) 与接触线(或者固体衬底) 移动速度、液体物性和固体衬底物性之间的关系。
原理概述 1 接触角定义 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。 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γS/A 、γL/A 、γS/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。 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1m2固面和1m2液面消失，形成1m2固-液界面，则此过程的 W A S/L为： W A S/L＝γS/A+γL/A-γS/L （2） （2）铺展润湿 当一液滴在1m2固面上铺展时，原有的1m2固面和一液滴（面积可忽略不 计）均消失，形成1m2液面和1m2固－液界面，则此过程的W S S/L为： W S S/L＝γS/A-γL/A-γS/L （3） （3）浸湿 当1m2固面浸入液体中时，原有的1m2固面消失，形成1m2固－液界面， 则此过程的W I S/L为： W I S/L＝γS/A-γS/L （4） 对上述三类润湿，γS/A和γS/L无法测定，如何求W S/L？分别讨论如下： ①粘附润湿 将（1）式代入（2）式，可得：W A S/L＝γL/A（1+cosθ）（5） 因液体表面张力γL/A为已知，故只需测定接触角θ即可求出W A S/L。 ②铺展润湿 将（1）式代入（3）式，可得：W S S/L＝γL/A（cosθ-1） 因cos≤1，故W S S/L≤0。但W S/L是自由能降低，结果表示可以有一个自由能增加或不变的自发过程。这显然违反热力学第二定律。错误在于误用了（1）式，此式只适用于平衡态。若液滴自动铺展以完全盖住固面，这就表示液滴与固面不成平衡态，所以不能将（1）式代入（3）式中。这里应该指出，不能将铺展润湿认为θ＝00，而在此情况下根本没有接触角。θ＝00的正确理解应是有一个角，恰好等于 0o。 设有固体与压力逐渐增加的蒸气接触以吸附此蒸气，当压力达到饱和蒸气压P0时，固面上即有一层极薄的液体。由Gibbs吸附原理知，表面自由能降低＝ RT?Γ0 0ln P P d。因此，W S S/L＝γS/A-γL/A-γS/L ＝RT?Γ0 0ln P P d（6）③浸湿 将式（6）中的γL/A去掉，即得W I S/L：
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.
2.1 接触角定义 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。 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γS/A 、γL/A 、γS/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。 2.2 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1m2固面和1m2液面消失，形成1m2固-液界面，则此过程的 W A S/L为： W A S/L＝γS/A+γL/A-γS/L （2） （2）铺展润湿 当一液滴在1m2固面上铺展时，原有的1m2固面和一液滴（面积可忽略 不计）均消失，形成1m2液面和1m2固－液界面，则此过程的W S S/L为： W S S/L＝γS/A-γL/A-γS/L （3） （3）浸湿 当1m2固面浸入液体中时，原有的1m2固面消失，形成1m2固－液界面，则此过程的W I S/L为： W I S/L＝γS/A-γS/L （4） 对上述三类润湿，γS/A和γS/L无法测定，如何求W S/L？分别讨论如下： ①粘附润湿 将（1）式代入（2）式，可得：W A S/L＝γL/A（1+cosθ）（5） 因液体表面张力γL/A为已知，故只需测定接触角θ即可求出W A S/L。 ②铺展润湿 将（1）式代入（3）式，可得：W S S/L＝γL/A（cosθ-1） 因cos≤1，故W S S/L≤0。但W S/L是自由能降低，结果表示可以有一个自由能增加或不变的自发过程。这显然违反热力学第二定律。错误在于误用了（1）式，此式只适用于平衡态。若液滴自动铺展以完全盖住固面，这就表示液滴与固面不成平衡态，所以不能将（1）式代入（3）式中。这里应该指出，不能将铺展润湿认为θ＝00，而在此情况下根本没有接触角。θ＝00的正确理解应是有一个角，恰好等于0o。 设有固体与压力逐渐增加的蒸气接触以吸附此蒸气，当压力达到饱和蒸气压P0时，固面上即有一层极薄的液体。由Gibbs吸附原理知，表面自由能降低＝ RT?Γ0 0ln P P d。因此，W S S/L＝γS/A-γL/A-γS/L ＝RT?Γ0 0ln P P d（6） ③浸湿 将式（6）中的γL/A去掉，即得W I S/L： W I S/L＝γS/A -γS/L ＝RT?Γ0 0ln P P d（7） 由（5）式可知，当θ＝0o时，cosθ＝1，W A S/L＝2γL/A，自由能降低为最大，则认为固体完全被液体润湿；当θ＝180o时，cosθ＝-1，W A S/L＝0，自由能降低为0，则固体完全不被液体润湿，即完全不润湿。这种情况是理想的，因为液体与固体之间多少有一些相互吸引力存在。
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
接触角的概念： 所谓接触角就是固一液界面与气一液界面之切线在三相点处的夹角。接触角的大小决定了润湿程度，接触角本身取决于界面张力的相对大小。 固体表面能被液体润湿，接触角越小．润湿性越大，铺展性也愈大，当接触角为零时，叫完全润湿；固体表面不被液体润湿，说明接触角越大，润湿性越小，辅展性越小，液面易收缩成球形。当接触角等于180度时，叫完全不润湿。必须指出，润湿与不润湿是一种相对的概念，没有绝对不润湿酌物质，它们只是程度上的差异。习惯上是这样区分的：接触角＜90度称为润湿；接触角＞90度，称为不润湿；接触角等于零度，叫完全润湿；接触角＝180度，叫完全不润湿。 以上所指的接触角也叫平衡接触角，它没有考虑表面上的阻力，对一个弯曲液面，由于表面张力的作用。迫使弯曲液面向内收缩而产生一种额外的压力，这种额外的压力叫做附加压力。附加压力的方向始终指向曲率中心。注意附加压力只发生在弯曲液面上。 众所周知，纳米材料科学与工程已经成为世界性的研究热点，在研究纳米材料的表面改性时，往往要涉及润湿接触角这个概念。所谓接触角是指在一固体水平平面上滴一液滴，固体表面上的固－液－气三相交界点处，其气－液界面和固－液界面两切线把液相夹在其中时所成的角。 接触角测量仪仪器介绍： 本公司仪器采用现代化工艺制造，仪器采用先进的专用CMOS数字摄像机，配倍高分辨率变焦式显微镜和高亮度LED背景光源系统，搭配三维样品台，可进行工作台上下、左右、前后等方向移动。实现微量进样及上下、左右精密移动。同时还设计了伸缩杆结构工作台，能适应在不同用户材料厚度加大的场合。仪器框架可以根据式样的大小适量调节，扩大了仪器的使用范围。软件搭配修正功能，测试多次后的结果可以同时保存在同一报告下，能让用户更好的对材料数据进行管控。该仪器设计美观大方、操作简单、符合用户所需。适用于各种行业测定接触角的用户
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
实验项目:用接触角测量仪测量材料表面得接触角 一．实验目得: 1.认识与掌握接触角测量仪测量材料表面得接触角得基本原理 2.熟悉接触角测量仪JC2000D1得操作技术 二.实验内容: 1.掌握JC2000D1型接触角测量仪得工作原理与操作步骤 2.测量几种材料得表面接触角 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得空间时,由于界面张力得存在而呈圆球状。但就是,当液滴与固体平面接触时,其最终形状取决于液滴内部得内聚力与液滴与固体间得粘附力得相对大小。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得液滴存在,接触角通俗地说,就就是液滴在固体表面自然形成得半圆形态相对于固体平面得外切线,如图1所示。 接触角得应用非常广泛,甚至可以说涉及到身边得每个细节,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得油漆永不脱落。其她比如农药与蔬菜叶面;涂料与内外墙面,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 假定不同得界面间力可用作用在界面方向得界面张力来表示,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得分力之与应等于零,即 (1) 式中、、分别为固气、液气与固液界面张力;为液体与固体间得界面与液体表面得切线所夹(包含液体)得角度,称为接触角(contact angle),在之间。接触角就是反应物质与液体润湿性关系得重要尺度,可作为润湿与不润湿得界限,时可润湿, 时不润湿。 2. 润湿 润湿(wetting)得热力学定义就是,若固体与液体接触后体系(固体与液体)得自由能G降低,称为润湿。自由能降低得多少称为润湿度,用来表示。润湿可分为三类:粘附润湿(adhesional wetting)、铺展润湿(spreading wetting)与浸湿
接触角是指在气、液、固三相交点处所作的气-液界面的切线穿过液体与固-液交界线之间的夹角θ，是润湿程度的量度。 特点 若θ<90°，则固体是亲液的，即液体可润湿固体，其角越小，润湿性越好；若θ>90°，则固体是憎液的，即液体不润湿固体，容易在表面上移动，不能进入毛细孔。 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）: γs,g = γs,l + γg,l×cosθ 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。 测试方法 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。 如何测量表面活性剂的润湿性 依据需要润湿的表面采用不同的方法: 一般织物表面的润湿, 采用国标方法中的棉布片法比较合适, 通过棉布片在表面活性剂溶液中不同的润湿时间来反映表面活性剂的润湿性能; 对于玻璃, 塑料或者金属等硬表面, 一般使用接触角仪器来测定接触角反映润湿性能, 接触角越小, 润湿性能越好.
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。
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）
现在各个行业都很重视对产品的检测，都希望有一份比较合适的检测报告摆在面上，这样各方面工作开展会更顺利一些.接下来就跟大家简单来了解一下接触角检测仪的工作原理和使用方面需要注意的那些事儿. Biolin光学接触角测量仪(水滴角测量仪)Theta Lite 接触角测试仪主要通过白金板法、悬滴法、插板法等方法丈量固体表面自由能的测试仪器，以实现固体表面自由能表现之一接触角值的丈量.下面对接触角测试仪经常使用的三种原理进行简单介绍. 一、铂金板法 此法主要是将铂金板深入液体并拉起，或采用多点浮力测试（已知铂金片高度）、F校正因子完成相关参数的修正，获得表面张力值.在测试过程中可能存在材质、深度及老化时间不稳定等问题，使用时应加以关注.
二、悬滴法 悬滴法是测量表面及界面张力的常用方法，在测试过程中需要玻璃样品池.通过测试液滴轮廓特征，利用扬氏方程对表面张力进行计算.液滴越大，计算所得结果就越好. 三、插板法 也称之为倾板法接触角测定仪，就是将固体板插入液体时，只有板面与液体夹角为接触角时，液面才平直伸至三相交界处，不出现弯曲.这一方法避免了做切线的困难性，测量准确度有所提高，但用液体量相对较大. Biolin光学接触角测量仪(水滴角测量仪)Theta Flex 了解了测试原理，再去看使用方法就会简单很多. 下面以静滴法为例给大家分享一下使用方法. 1.调整水平（水准泡居中），上移工作台，以工作台的上边缘线为基准，旋转摄像系统，保
持摄像窗口上或下边与之平行； 2.将试样置于工作台上放平压紧，利用微量进样器调整液滴的量，以便于控制液滴大小. 3.通过触发或软件控制滴液器，使液滴放置到样品上. 4.调整工作台和摄像系统，待液滴显示清晰即可点击“测量”按钮进行接触角测量. 需要注意的是液滴要靠近试样的前端边缘，且边缘要清晰、规则，不然将会影响测试结果. 接触角测试仪是大家工作、实验中经常会用到的仪器，关于仪器的型号、测量方法、使用注意等事项都是关系到大家工作开展情况的要点内容.这里简单做一个介绍，希望能够帮到每一个需要用到接触角检测仪的人.
材料表面的接触角研究 摘要 针对稳定的表观接触角的局部量特征，在三相接触线处引入三相作用能获得新的接触角关系，并基于获得的一组公式处理了粗糙表面的浸润问题。阐述了固液接触时间、固体表面粗糙度及液体体积对接触角的影响，通过分析，对各因素对接触角影响作出合理的解释。 给出了一个描述粗糙表面浸润性的一般模型，讨论了润湿现象对印品质量的影响。接触角随粗糙度增大趋于恒定等问题给总结出了新的机理解释，阐述了以往模型如Wenzel模型、Cassie模型等均不能在统一框架下解释接触角实验现象的不足。 讨论了接触角的计算方法中的切线法、圆拟合法、椭圆拟合法、量角法、量高法、多项式拟合法、Young-Laplace拟合法等的优缺点。并分析了典型算法的原理、特点和适用范围。针对不同的承印材料，通过对接触角的测量，得到接触角大小与承印物材料的关系，以满足印刷行业的需要。 关键词：接触角；粗糙度；润湿；滞后现象；承印材料
摘要............................................................................................................................. I 1 绪论 (1) 1.1 课题研究背景 (1) 1.1.1 材料表面的润湿性 (2) 1.1.2 表面微结构导致的特殊润湿性表面 (4) 1.2 国内外研究现状及趋势 (5) 1.2.1 接触角的测量方法 (6) 1.2.2 影响接触角测量的因素 (8) 1.2.2.1 接触时间对接触角测量的影响 (8) 1.2.2.2 表面粗糙对接触角测量影响 (9) 1.2.2.3 液体体积对接触角测量影响 (9) 1.3 本课题研究的目的和意义 (10) 1.4 本文的主要工作及内容安排 (11) 2 水滴在材料表面的接触角研究 (12) 2.1 接触角理论基本描述 (12) 2.1.1 影响接触角大小的因素 (13) 2.1.2 接触角的计算法探讨 (13) 2.2 动、静态接触角 (15) 2.2.1 理想表面的静态接触角 (15) 2.2.2 非理想表面的静态接触角 (16) 2.2.2.1 Wenzel模型 (16) 2.2.2.2 Cassie模型 (17) 2.2.3 考虑接触线附近三相作用的接触角公式 (17) 2.3 接触角滞后的局部量特征 (18) 3 接触角滞后现象 (19) 3.1 接触角滞后的定义 (19) 3.2 接触角滞后的形成原因 (20) 3.3 接触角滞后的影响因素 (20) 3.4 接触角滞后的测量方法及其优缺点 (21) 3.4.1 加减液滴体积法 (21) 3.4.2 倾斜板法 (22) 3.4.3 吊片法 (22) 结论 (24) 参考文献 (25)
接触角计定义： 专业用于测量固体表面自由能的专业测量/测定仪器，通过白金板法、悬滴法、插板法等原理，实现精确固体表面自由能的表现之一接触角值的测量。同时，利用软件技术，可能测得动态接触角值，如前进角/后退角、倾斜角、滚动角等以及随时间变化的接触角测试等。 接触角计测试基本原理 接触角计因为测试技术不同，我们通常能够找到多种方法测试接触角。而应用这些接触角测试技术，我们的生产厂就能够生产出各种原理的接触角计。 1、影像分析法(角测量仪Goniometry)接触角计： 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。最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。 作为动态接触角测试系统的应用，如我们测试前进角θA和后退角θR时，我们可以通过控制进样量来实现，如我们想测前进角θA，我们就可以增加液体量；如我们想测后退角θR时，我们可以减少液体量。当然，我们也可以让样品台倾斜，直接测得倾斜角，而此时，我们必须使用高速相机进行图像采集。 标准的影像分析系统会采用CCD摄像和图像采集系统，同时，通过软件分析接触角值。 影像分析法接触角计的优点 影像分析法接触角计可使用环境远高于力测量法，我们可以容易测得各种外形品的接触角值。而力测量法接触角计对于材质的均匀度以及平整性均有较高的要求。我们更可以用于测试高温条件下的样品的表面张力值，如融化后的聚合物。这就是影像分析法接触角计的优点，不过影像分析法接触角计的缺点也很明显。 影像分析法接触角计的缺点 (1)影像分析法接触角计的主要缺陷在于人为误差较大。 这种缺陷主要是由于：第一、接触角切线的再现能力较差，主要是因为使用者的人为判断误差所致；第二、水平线的确认较困难，而水平线的高低不同，导致的结果也会有较大误差。 以上缺陷作为弥补办法，SL系列接触角计采用软件全自动分析方法计算接触角值。但这种方法也会受限于测试区域内是否有杂点。同时，SL系列接触角计采用高精度升降台，控制样品台水平线与软件水平线的一致，以硬件方式提升水平线的识别能力。但是，这种硬件校正水平线也会因样品不同，有时也会存在水平线无法观察到的现象。 (2)影像分析法接触角计在前进后退角测试过程中，样品进样过程的重复性较差。 液滴移转过程中，我们通常会这次进样多，这次进样少，而这样的量的变化同样会导致接触角测量值的变化。相对于力测量法测试动态接触角而言，这种缺陷是非常明显的。 (3)影像分析法接触角计无法准确测试纤维接触角和粉体接触角值 2、插板法接触角计： 也称倾板法接触角计，其原理是固体板插入液体时，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。如下图B所示。否则，液面将出现如图A或C所示的弯曲现象。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。斜板法避免了作切线的困难，提高了测量的精度，但突出的缺点是液体用量较多。这在许多情况下妨碍了它
为什么要测量接触角和表面张力？ 为了提高我们在未来的生活质量和保护环境，开发新的表面工程材料和产品已成为当今科学研究众多领域的重点。准确的表征材料表面和液体的性能对于开发新的性能更好、质量更佳的产品是至关重要的。对接触角和表面/界面张力进行测量，可以更好地理解固/液、液/液之间的相互作用。这些相互作用对于理解固体表面的粘接性、材料润湿性、生物相容性、润滑性，以及液体的浸润、洗涤性、扩散和吸附十分重要。在采用现代复杂的表面工程技术进行开发和改进液固表面时，接触角和表面/界面张力的测量手段可以提供所需要的信息。 接触角 接触角θ是一个由液、气、固三相交界的边缘形成的角度。如图所示，液滴的形状是由三相的界面张力控制的。θ是一种液体相对一种固体的润湿性的定量表征，也可以用于表面处理和表面清洁的质量控制手段。 表面张力 表面张力γ的产生，是因为液体内部的分子受到各个方向的同等引力，而表面的分子受到的朝液体方向的力大于朝空气方向的力。因此就发生表面的自发收缩。对于洗涤、润湿、乳化和其它表面相关问题，γ可以特别灵敏的进行表征。 静态和动态接触角 一个附着在固体基面上的液滴就会产生静态接触角。静态接触角的值取决于相互作用的影响。另一种方法是确定动态接触角。如果三相（液/固/蒸汽）边界是运动的，则产生的接触角称为前进接触角和后退接触角。通过公式来拟合液滴的形状，并计算在三相边界线上的切线斜率，就可以得到接触角。 悬滴法 悬滴法提供了一种十分简便的途径，来确定一种液体（气/液界面）的表面张力，或者两种液体（液/液界面）之间的界面张力。采用悬滴法，通过分析在注射管尖悬挂的液滴形状来确定表面/界面张力。CAM 200将Young-Laplace 方程应用于液滴图像，以计算表面和界面张力。这种技术特别精确，并能够在上升的 温度和压力下进行。 如何使用CAM 200测量接触角和表面张力?
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：
实验题目 用接触角测量仪测量材料表面的接触角和表面能 （学时数：2学时） 一、实验目的 1. 认识和掌握接触角测量仪测量表面的接触角和表面能的基本原理； 2. 熟悉接触角测量仪（Kruss 公司，型号DSA1000）的操作技术； 二、实验内容 1. 掌握DSA1000型接触角测量仪的工作原理和操作步骤； 2. 测量医用无机薄膜表面的接触角和表面能； 三、实验仪器、设备及材料 本实验所使用的设备为DSA1000型接触角测量仪，测试材料为医用无机薄膜或医用高分子材料。实验中所用到的测试液体为双蒸水、甲酰胺。样品清洗时用到丙酮、无水乙醇、单蒸水和电炉、烧杯等。 四、接触角测量仪的基本原理 将一液体滴到一平滑均匀的固体表面上，若不铺展，则将形成一个平衡液滴，其形状由固液气三相交界处任意两相间之夹角所决定，通常规定在三相交界处自固液界面经液滴内部至气液界面之夹角为平衡接触角，以θ表示。接触角与三个界面张力之关系为如下所示的Young 方程： cos s g s l l g γγγθ----= 式中s g γ-、s l γ-、l g γ-分别为固-气、固-液和液-气界面张力。由上式知, 只有当 l g s g s l γγγ--->-时才有明确的三相交界线, 即有一定的值；而l g s g s l γγγ---=-时，θ为零；l g s g s l γγγ---<-时不存在平衡接触角。 Young 方程也称为润湿方程，它是界面化学基本方程之一。将Young 方程与三个润湿过程的定义相结合，得到判断润湿过程的几个公式： 沾湿 (cos 1)a s g l g s l l g W γγγγθ----=+-=+； 浸湿 c o s i s g s l l g W γ γ γθ ---=-=； 铺展 (c o s 1)s g s l l g l g S γγ γ γθ- ---=-+=-； 式中，a W 、i W 和S 分别称为粘附功、浸润功(润湿能、粘附张力)、铺展系数。由上三式可知，θ越小(cos θ越大)，相应的a W 、i W 和S 越大, 即润湿性越好，因而θ可作为润湿性能的度量指标。 接触角即液-气表面张力与固-液表面张力之间夹角。将液滴（L ）放在一理想平面（S ）
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＞90°，