固体表面动态接触角的测定

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。