接觸角
contact angle
定義:當兩種流體(如氣體、液體或兩種不混溶的液體)同時與固體接觸時,固體表面和從三相交界點處對二流體界面所作切線之間的夾角。
學科:化學_物理化學_膠體化學
相關名詞:滲透率 可潤率 裂隙
圖片來源:視覺中國
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在日常生活中,我們會觀察到這樣的現象:玻璃上的水滴很快就鋪展開來,形成一灘水跡,但是草葉上的露水像一顆顆晶瑩圓潤的珍珠。決定液體在固體表面的鋪展程度,或者說潤溼面積的,是固體的潤溼性(又稱浸潤性),而評價固體潤溼性的關鍵指標則是接觸角。
接觸角指在氣、液、固三相交點處所作的氣—液界面的切線,穿過液體與固—液交界線之間的夾角。用θ表示,如下圖所示。其中,上標S、L、V分別代表固相、液相和氣相,三個箭頭代表的是三種界面的界面張力。
液滴在固體表面所形成的接觸角是三種界面張力共同作用後平衡的結果,此時體系能量最小,液滴處於穩態。接觸角與界面張力的關係可以通過楊氏方程(Young's equation)表示。需要說明的是,這裡的固體表面指的是光滑平整均勻的理想表面,而現實中固體表面的粗糙度和化學性質對固體的潤溼性有很大影響,後來一些科學家在周期性微結構(Wenzel方程)和複合表面(Cassie-Baxter方程)的假設下也提出了類似的方程。
接觸角可以非常直觀且定量地反映液體對固體的潤溼程度。接觸角越大,說明該液體對該固體表面的潤溼性越差。在本文開頭所述的現象中,玻璃上的水滴接觸角小,草葉上的露珠接觸角大。接觸角的範圍在0~180°。人們將固體表面分為親水的和疏水的兩種:接觸角小於90°的為親水表面,大於90°的為疏水表面。如下圖所示。
有別於密度、模量這些材料的「體」性質,接觸角所反映的是材料的「面」性質。因此,它在石油工業、浮選工業、醫藥材料、無毒低表面能防汙塗層等應用領域獨樹一幟。例如在浮選工業中,人們就可以做到無視材料密度,僅根據材料的表面性質,通過提前測定好的各種礦物材料對水的接觸角,從眾多礦物的混合物中分選出所需要的礦物。
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來源:全國科學技術名詞審定委員會
編輯:王鑫雅
審核:喬志軍