接触角原理
接触角测定仪的原理
接触角测定仪的原理
接触角测定仪是一种用于测量液体与固体界面上接触角的仪器。
其原理基于Young-Laplace方程和浸润理论。
Young-Laplace方程描述了液体在固体表面上的压力分布，表达式为：
P = P₀+ γ(1/R₁+ 1/R₂)
其中，P是液体在界面上的压力，P₀是液体的大气压力，γ是液体的表面张力，R₁和R₂分别是液体与固体表面上的两个主曲率半径。
根据浸润理论，当液体与固体表面完全不相互湿润时，接触角为180，称为完全不湿润状态。
当液体与固体表面完全湿润时，接触角为0，称为完全湿润状态。
在这两个极端之间的接触角可以用来表征液体与固体之间的亲疏程度。
接触角测定仪通过将液滴滴在固体表面上，观察液滴的形态并测量接触角来确定液体与固体的亲疏性。
一般来说，接触角测定仪包括一个装置用于生成液滴，一个显微镜用于观察液滴的形态，以及一个测量系统用于测量接触角。
测量接触角的常用方法有静态接触角法和动态接触角法。
静态接触角法是在液滴静止时测量接触角，而动态接触角法是在液滴运动时测量接触角。
根据测量原理和仪器的设计，接触角测定仪可以有不同的工作原理和测量精度。
需要注意的是，接触角受到多种因素的影响，包括液体性质、固体表面性质、温度、湿度等。
因此，在使用接触角测定仪进行测量时，需要控制这些因素以确保测量结果的准确性。
接触角
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。
接触角仪器原理【详解】
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，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，该仪器能测量各种液体对各种材料的接触角。
该仪器对石油、印染、医药、喷涂、选矿等行业的科研生产有非常重要的作用。
接触角测量仪的工作原理：用接触角测量仪本身附带的注射器针头将一滴待测液体滴在基质上。
液滴会贴附在基质表面上并投射出一个阴影。
投影屏幕千分计会使用光学放大作用将影像投射到屏幕上以进行测量。
这个投影屏幕千分计带有一个可调式标本夹，能够在垂直方向或轴向上对准图像；通过滑动屏幕可在水平方向上调整图像。
锁定旋钮可将投影液滴固定在位。
若要读取液滴角度，您需要找准从图像拐角接触点到图像Zgao点之间的切线；请用专门校准的分度器标尺测量角度。
接触角测量仪的测量原理：接触角测量仪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。
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。
其实有点类似于液滴高度/宽度法测量，运用圆方程式来拟合液滴的轮廓形状，从而计算出接触角。
由于此方法假定了液滴(截面)的形状为圆的一部分，所以其适用范围只限于球状或接近球状的液滴。
由于重力的影响，严格地讲，液滴的形状都偏离球型：偏离的程度随液滴的体积增大而增大；在同样的体积下，液体的比重越大，表面张力越小，偏离的幅度也越大。
接触角常用的测定方法：测定接触角的方法有多种，但可分为二类。
一类是直接法、即直接测量接触角的大小；另一类是间接法、即通过其它物理量的测定以及该物理量与接触角之间的定量关系来计算出接触角的大小。
常用测定物理量是长度及质量。
第—类方法精度由测角器所决定；第二类则不但由测定长度或质量的仪器精度，而且还由它们间的定量关系式的准确度所决定。
接触角 原理
接触角原理
接触角是指液体或固体与气体界面上的一个角度，它是通过测量液体或固体与气体之间的表面张力来确定的。
当一个液滴或固体颗粒悬浮在气体中时，液滴或固体颗粒的表面会与气体形成一个接触线，接触线与固体或液体表面之间的夹角就是接触角。
在联系角度（接触线与固体表面之间的夹角）小于90度的情况下，液体或固体与气体界面上的接触角被称
为“湿润角”，反之称为“不湿润角”。
接触角的大小与液体的性质以及固体表面的特性有关。
通常来说，液体表面张力越小，接触角就越接近于0，也就是更容易
发生“湿润”。
相反，液体表面张力越大，接触角就越接近于
90度，固体则不容易被液滴湿润。
通过测量接触角，我们可以了解液体或固体与气体界面上相互作用的性质，这对于许多应用非常重要。
例如，在材料科学中，接触角的测量可以用来评估表面润湿性，从而设计更好的涂层和材料。
在生物学中，接触角的测量可以用来研究细胞表面的特性，或者用来评估药物在生物体内的扩散性能。
总之，接触角是一个重要的物理参数，它的测量可以提供关于液体或固体与气体界面相互作用性质的有价值的信息。
接触角原理概述
(a)前进角
(b)后退角
图 5 前进角与后退角得测定方法
为了避免增减液滴体积时可能引起液滴振动与变形,在测定时可将改变液滴体
积得毛细管尖端插入液滴中,尖端插入液滴不影响接触角得数值。
决定与影响润湿作用与接触角得因素很多。如,固体与液体得性质及杂质、添
无法测定,如何求
(4) ？分别讨论如下:
(5)
因液体表面张力 为已知,故只需测定接触角 即可求出
。
(2)铺展润湿
将(1)式代入(3)式,可得:
因 ≤1,故 ≤0。但 就是自由能降低,结果表示可以有一个自由能增加
或不变得自发过程。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
(7)
由(5)式可知,当
时, ＝1,
＝
,自由能降低为最大,则认为固体
完全被液体润湿;当
时, ＝ 1,
＝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。这种情况就是理想得,因为液体与固体之间多少 有一些相互吸引力存在。
3. 接触角得测定
对于理想得平固体表面,当液滴在表面达平衡后。只有一个符合 Young 方程得 接触角。但实际固体表面就是非理想得,因而会出现滞后现象,致使接触角得测量 往往很难重复。但经过精心制备与处理得表面,有可能得到较重复得数据,特别就 是高分子得表面。表面得制备与处理得目得就是要得到较光滑、干净得理想表面, 但具体得手续因样品而异,这里不作更多得介绍。这里主要介绍一些常用得接触 角测定方法,它们都就是针对气—液—固体系得接触角而设计得。但其中有些方 法,只需略加修改,亦适用于液—液—固体系接触角得测定。
为:
接触角实验报告
接触角实验报告
接触角实验报告
实验目的：测量液体在不同固体表面上的接触角，了解液体与固体之间的相互作用。
实验原理：接触角指的是液滴与固体界面上两个相互垂直的线段所夹的夹角，用来表示液体与固体表面之间的相互作用。
接触角越小，液滴与固体表面之间的相互作用越强，液滴难以展开，接触角越大，相互作用越弱，液滴容易展开。
实验材料：实验所需材料包括：不同种类的液体，测角器，实验盘。
液体可以选择水、油等。
实验步骤：
1. 准备实验盘，将不同种类的液体倒在实验盘中。
2. 在液滴与实验盘交界处，使用测角器测量接触角。
3. 测量多组接触角数据，取平均值作为最终结果。
实验结果：
根据实验数据，我们可以得到液体在不同固体表面上的接触角。
接触角越小，液体与固体之间的相互作用越强；接触角越大，相互作用越弱。
实验讨论：
1. 实验中可能存在的误差来源：液滴初始形状不规则、实验操作误差等。
2. 实验中可以进一步研究液体性质、固体表面特性等对接触角的影响。
3. 实验结果的意义：接触角可以用来描述液体与固体之间的相互作用，对于液体在固体表面上的湿润性和附着性具有重要意义。
实验结论：
通过本实验，我们测量了液体在不同固体表面上的接触角，观察到液体与固体之间的相互作用。
实验结果表明，接触角越小，液体与固体之间的相互作用越强；接触角越大，相互作用越弱。
接触角的测量可以用来描述液体与固体之间的相互作用，对于液体在固体表面上的湿润性和附着性具有重要意义。
实验还存在一些误差来源，可以进一步完善实验方法。
接触角测量仪原理
接触角测量仪原理
接触角测量仪是一种常用于表面性质研究和表面润湿性分析的仪器。
其测量原理基于Young方程，该方程描述了液体在固体表面上的润湿现象。
接触角是液滴与固体表面相接触时，液滴表面与固体表面之间形成的接触线与固体表面相交所形成的角度。
接触角实际上是一个三相界面的性质，其中包括液体、固体和气体。
测量接触角的方法通常使用测角装置将固体样品放置在其中，然后改变液体滴在样品表面上的浸润情况，通过观察接触线的形态并进行图像分析，可以计算得到液滴在固体表面上的接触角。
接触角的大小与固体表面和液滴之间相互作用力有关。
当固体表面亲水性较高时，液滴会广泛地浸润在固体表面上，接触角较小。
如果固体表面亲水性较低，液滴会形成球状，接触角较大。
接触角测量仪通常采用光学显微镜和图像处理系统进行数据采集和分析。
通过对液滴在固体表面上的接触线形态进行测量和分析，可以准确地计算出接触角的大小。
接触角测量仪广泛应用于表面科学、材料科学和化学工程等领域。
通过测量不同固体材料的接触角，可以评估其表面性质和润湿性能，并为研究液滴在固体表面上的行为提供重要的实验数据。
接触角测量仪原理
接触角测量仪原理接触角测量仪是一种用于测量液体在固体表面上的接触角的仪器。
接触角是指液体与固体表面接触时所形成的角度，它可以反映出固体表面的亲水性或疏水性。
接触角测量仪的原理主要基于Young方程和Young-Dupré方程。
Young方程描述了液体在固体表面上的接触角与液体表面张力之间的关系。
它的数学表达式为cosθ = (γsv γsl) / γlv，其中θ表示接触角，γsv表示固体与气体表面张力，γsl表示固体与液体表面张力，γlv表示液体与气体表面张力。
根据Young方程，当γsv > γsl + γlv时，液体与固体的接触角为锐角；当γsv < γsl+ γlv时，液体与固体的接触角为钝角。
Young-Dupré方程则描述了固体表面上的接触角与固体表面自由能之间的关系。
它的数学表达式为cosθ = 1 + (γlv γls) / γls，其中θ表示接触角，γlv表示液体与气体表面张力，γls表示液体与固体表面张力。
根据Young-Dupré方程，当γlv > γls时，固体表面呈现亲水性；当γlv < γls时，固体表面呈现疏水性。
接触角测量仪利用这些原理，通过测量固体表面上液体的接触角来判断固体表面的亲水性或疏水性。
其测量原理主要包括光学测量法、重力法、压力法和动态法等。
光学测量法是通过测量液滴在固体表面上的形态和光学特性来计算接触角。
这种方法通常使用高分辨率相机或显微镜来观察液滴形态，并通过图像处理软件来计算接触角。
重力法是通过改变液滴的重力来测量接触角。
通过调整固体表面的倾斜角度或旋转固体表面，使液滴受到重力影响而变形，从而测量接触角。
压力法是通过测量液滴在固体表面上的压力分布来计算接触角。
这种方法通常使用压力传感器来测量液滴对固体表面的压力分布，并通过数学模型计算接触角。
动态法是通过改变液滴的形态或运动状态来测量接触角。
这种方法通常包括液滴的振荡、脉冲或震荡等，通过观察液滴的运动状态来计算接触角。
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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。
接触角的测定
到目前为止，平板固体上的接触角可以直接准确测量（本公司出品的JC2000接触角测量仪可测），但对粉体样品来说，由于颗粒细，表面不光滑，无法直接测量，只能间接测量。
现有的二种测量方法为压片法和渗透法。
压片法就是将需测接触角的粉体压制成片，再用平板固体上的接触角测量法测定；渗透法是将粉体装在一内径均匀的空心管中压实，通过测定液体在压实粉体床中的渗透速度来测定其接触角。
渗透法需要一种作参比的完美润湿液体。
Washburn 方程为我们提供了测定润湿接触角的原理，现在也有许多测定的具体方法（见附录）。
但在实际应用中，粉体的润湿接触角往往只有相对的意义，测定其准确的数值很困难，主要原因有三：
(a)液体表面易被污染上杂质，因而改变γL/A 。
(b)固体表面的粗糙、不均匀性，以及易被微量杂质污染，均能引起接触角的很大改变。
(c)滞后现象，即液体在干燥固体表面上铺展时和在潮湿固休表面上收缩时的θ值不同。
其原因何在，现时尚不清楚。
因此，测定准确数值实际意义不大，实际应用中一般测量相对润湿接触角（relative wetting contact angle ）。
JF99A 粉体接触角测量仪是根Washburn 法来测量液体在压实粉体床中的渗透速度从而测出粉体接触角的。
根据Washburn 方程可知，若液体由于毛细作用渗入半径为R 的毛细管中，液体渗透过程中压缩粉体床中的气体而引起的压力差的平方(△P)2是时间t 的函数，其方程为：
()t P η
θγβcos 2=∆ （8）
式中γ－液体的表面张力； β－与粉体床本身的性质有关的参数；
η－液体的粘度；
θ－润湿接触角；
作出(ΔP)2－t 关系图，将得到一条近似的线性直线，求出斜率K ，得到：
ηθβγcos =K （9）
从而可得： ⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛=βγηθK arccos （10） 式中η/γ仅与润湿液体的性质有关，可以查得，K 值也可以得到，关键是确定β值。
一般用一种对样品的润湿角为零度的液体，即用完美润湿液体（润湿性最好的液体，其相应的cos θ＝1，θ＝0o ）进行实验，得到相应的β值，由它便可以测定在同等实验条件下其它液体与该粉体的接触角。
在实际的生产和科研中，往往不容易找到使粉末完全润湿的液体，β值就很难确定。
因此，一般都用来测量相对润湿接触角。
令样品在液体L 和润湿性更好的液体L 0中的接触角分别为θ和θ0，测得的(ΔP)2－t 近似直线的斜率分别为K
和K 0，同一样品在L 和L 0中的β值相同，θ>θ0，令θ0＝0o ，则由（9）式可知：
000/γηβK =，从而可得相对接触角θ：
⎪⎪⎭⎫ ⎝
⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=0000arccos arccos K K C K K γηηγθ 其中γηηγ00=C （11） 式中η和γ与η0和γ0分别为液体L 和润湿性更好的液体L 0的粘度和表面张力。
对于同种液体，相对接触角⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=0arccos K K θ （12）
式（11）中确定的θ只具有相对的意义，并具有较大的应用价值。
这里将θ0设为零度，对同种样品或相似成分、结构的样品具有较好的对比意义。
而对不同成分、结构的样品，它们在L 0中的润湿角是不等的，如果设为零度，在定性上不
会有什么问题，在定量化研究上具有相对对比的意义。
大多数情况下，我们往往需要对比不同粉体对相同液体的润湿能力，或者同种粉体对不同液体的润湿能力。
例如，粉体改性前后对同一液体的润湿能力的比较。
设改性前粉体对液体L 0为完美润湿，测得系统参数为β，这是可以将该β
值作为最大β值，进而求出改性后各粉体对该液体的相对接触角θ，计算公式如下：
⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=max 10101
arccos arccos arccos ββββθK K 式中K 0、K 1分别为改性前后(ΔP)2－t 关系图直线的斜率，β0、β1分别为粉体改
性前后所测得的系统参数。