视频光学接触角测量仪讲议

动态接触角的研究
聚合物链在水中相对于空气中重新取向，通过动态接 触角的研究可以观察到链的重新取向
动态接触角的研究
当固体表面形貌主要为Wenzel模型时，水在疏水性粗糙固体表 面的接触角以及接触角的滞后（前进接触角与后退接触角之差） 均随粗糙因子r的增大而增大，当r增大到1.7以后，继续增大r， 水的接触角继续增大，而接触角的滞后却减小。这种现象主要 是由于随着固体表面粗糙度因子的增大，在水滴和固体表面接 触界面上空气组分增大，使得疏水的固体表面由Wenzel模型转 变为Cassie模型。
表面现象
简单的规则： 表面现象主要是由于表面自由能减少所产生的 从环境中吸附一种物质 材料本体中的一种物质在表面偏析 表面重建 表面反应
吸附
规则： 具有较高能量的表面很快被低能量物质覆盖或污染 “高能量表面”是相对于它的周围介质而言
举例：水基环境中，亲水材料较疏水材料具有较 低的界面能 水基环境中，疏水表面的蛋白吸附/变性 带电和氢键基团朝向水 疏水基团朝向聚乙烯
聚合物的表面偏析
如PVC中混合5%（重量百分比）的短碳氟化合物（C45O18F59H31） γPVC=41dyn/cm γblend=17.3dyn/cm γCF3=14.5dyn/cm 可见，表面偏析导致短碳氟化合物在表面聚集，使PVC的界面能约 等于纯的碳氟化合物的界面能。 材料改性
聚合物中，熵在表面偏析中起着突出的作用
聚合物的表面偏析
链端表面偏析以减少熵值的损失
与长链混合时，短链表面偏析
梳状聚合物添加剂对表面改性
Advancing Contact Angle
Liquid Flow Syringe
Gas Liquid
θ
Solid
θ
Байду номын сангаас
θ
Receding Contact Angle
Liquid Flow
Syringe
接触角随温度的变化
光 滑 表 面
poly(N-isopropylacrylamide)
(PNIPAAm)，典型的 温度敏感材料。温度 开关约32-33 °C。 材料表面的粗糙度也 对接触角产生直接的
粗 糙 表 面
影响。 （中科院化学所江雷 文献报道）
接触角随时间的变化
Adsorption of liquid into 2 papers
抑制蛋白粘附的对策
超疏水体系γl=0，推出γlw≈γW 举例：特氟隆（γ=19dyn/cm） 蛋白粘附但不能很好粘附（不粘锅原理） 超亲水体系γlw=0，推出γl≈γW 举例：聚氧化乙烯（γlw ≈0 ） 表面“伪装”成水，蛋白不粘附
抑制蛋白粘附的对策
表面偏析
对于多组分材料，涉及到整体组分的界面吸附现象 例1：双组分AB合金中的稀释溶质（B）的表面偏析 过剩表面覆盖率ΓB（mol/area）由下式给出： ΓB = -1 ∂ γsv
我们的理念：
古人的发现
《咏露珠》 韦应物 秋荷一滴露， 清夜坠玄天； 将来玉盘上， 不定始知圆。
接触角与表面微结构的关系
荷叶表面，双层微观结构，即由微米尺 度的细胞和其上的纳米尺度蜡状晶体两 部分组成 蝶类翅膀上的粉末表面，由100um左右 的扁平囊状物组成，囊状物由无数对称 的几丁质组成的角质层构成
粘附功
粘附功（W12）：分离两相之间单位面积所 需做的功 W12= γ 1+γ 2-γ 12 W12>0 类推：在水溶液中的α/β粘附 W12= γ 1w+γ 2w-γ 12,w≈ 2（ γ 1wγ 2w）1/2 或对于γ 1=γ 1d + γ 1p W12= 2（ γ 1d γ 2d ）1/2 + 2（ γ 1p γ 2p ）1/2 粘附
Gas
Liquid
θ
θ
θ
Solid
接触角滞后作用
前进接触角，以液固界面取代固气界面后形成的接 触角为前进接触角 θA；后退接触角则相反，即以 固气界面取代固液界面后形成的接触角叫后退接触 角，用θR表示。 前进接触角与后退接触角之差称为接触角滞后 （θA-θR）
接触角滞后影响因素
表面不均匀 表面不平 表面重建
Cassie，Wenzel 模型 各自的适用范围
同，通过过饱和蒸气表面冷凝或通过喷溅 法制得的一般为Wenzel状态，而通过表面 沉积得到的一般为Cassie状态。
Cassie模型到Wenzel模型的不可逆转变
在90° < θ <θc区域，处于Cassie状态的液滴受到压力后接触 角会变小而处于Wenzel状态。这说明从Cassie状态到Wenzel状 态发生了不可逆转变。 这可能是由于微结构中气膜受到挤压排除而产生湿接触（但往 往不会全部排除而处于Cassie和Wenzel模型的中间状态） 高压
荷叶效应
自清洁表面
水鸟类羽毛表面，具有微米和亚微米尺 度的致密排列
Young方程
Wenzel模型
粗糙表面的存在使得实际上固液 的接触面要大于表观上观察到的 几何面积。Wenzel 假设液体始 终能添满粗糙表面上的凹槽，液 体和固体之间为湿接触。 若以r表示表面粗化程度，r=A（真实）/A （表观），r≥ 1， cosθ*= r cosθe 表面的粗化能使疏水的表面（cosθe< 1）更疏水（cosθ* < cosθe ）； 而使亲水的表面（cosθe> 1）更亲水（cosθ* > cosθe ）。
双疏材料制备的可能途径
Herminghaus提出一个观点：有着阶层结构的表面粗糙结构能 够使得任何表面变得不可润湿。也就是说亲水材料具有这种阶 层结构也可以变成疏水材料。 这种转变的前提是表面的微凹槽能够使得液体在其表面悬挂， 事实上这是一种处于亚稳态的Cassie状态。如果这种亚稳态形 成规模效应，也就是从Cassie状态到Wenzel状态具有较高的势 垒，就可以实现亲水材料表现出疏水甚至超疏水性质。 这在某种意义上意味着可以制备出超疏油表面。
视频光学接触角测量仪 表面--界面张力仪 超低界面张力仪
公司简介
Dataphysics公司座落于德国 斯图加特市，是专门致力于研究、 开发、生产胶体与界面科学仪器 的知名公司。 北京东方德菲胶体化学仪器 有限公司是目前国内唯一一家胶 体化学领域的实验室服务公司。 作为Dataphysics公司中国区的代 表机构，东方德菲的专业工程师 致力于为国内用户介绍世界上最 先进的胶体与界面科学仪器，并 竭诚为您提供最快捷、最专业的 售前和售后服务。 Dataphysics公司的界面科学仪器一直处于行业领先地位。在中科院化学 所、北京大学、清华大学、复旦大学、浙江大学的良好使用使Dataphysics 的技术在国内获得广泛认可，已经成为中国专业客户的首要选择。
表观接触角与本征接触角的关系
Cassie，Wenzel 模型计算出的 表观接触角与本征接触角关系
Kao课题组实际测量出的表 观接触角与本征接触角关系
两种模型的适用
Cosθc= fs-1 r-fs
θc称为临界接触角， 当θe > θc ，空气
容易被截留于结构中而产生复合接触，此 时适用于Cassie模型。Wenzel模型适用于 中度疏水和中度亲水之间的曲线。 液滴形成的方式不同也会导致所处状态不
RT ∂ lnXB
由ΓB反之可以度量出B在A中的溶解极限[XB](A)
表面偏析
多溶质的金属，基本上最高活性的溶质占据表面 B的表面分数(XB,S)也可以由Langmuir-McLean关系式表述:
式中ΔGs= 每摩尔偏析溶质的自由能
表面浓度即可求出:
表面浓缩
Langmuir-McLean关系式揭示: 当ΔGs为负数时，表面浓缩发生 随着整体材料溶质含量的增加表面覆盖率增加 温度增加表面浓度减少 Miedema方程: ΔGs>0，B在表面无浓缩 ΔGs<0，B在表面浓缩
Cassie模型
当表面结构疏水性较强时，Cassie认 为疏水表面上的液滴不能添满粗糙 表面上的凹槽，在液滴下将有空气 存在，于是表观上的固液接触面实 际是由固体和气体共同组成。
对于固气复合表面，cosθ*= fs(1+cosθe )-1 fs为复合接触面中固体的面积分数，在疏水表面，fs越小表观接触角越大。 高疏水区域，由于结构表面的疏水性，导致液滴不易侵入表面结构而截留 空气产生气膜，使得液滴仿佛“坐”在粗糙表面之上。 因此Cassie模型有效的计算参数是固体表面分数而不是粗糙度。