接觸角作為衡量在氣液固三相交點(diǎn)潤濕性參數(shù) 影響因素有哪些

　　接觸角作為衡量在氣液固三相交點(diǎn)潤濕性參數(shù) 影響因素有哪些
　　接觸角是一用來衡量一液體在一固體外觀的潤濕性（鋪展性）的參數(shù)，其數(shù)值大小取決于液體和固體外觀的特征（屬性）。
　　對(duì)接觸角數(shù)值大小能產(chǎn)生直接影響的液體屬性重要包括液體的外觀張力，以及引起外觀張力的分子作用力的本質(zhì)，如極性（polar）和非極性（disperse）作用力的組份。假如液體是一多組分系統(tǒng)（如涂料），液體的外觀張力一樣平常呈現(xiàn)時(shí)間依靠性（動(dòng)態(tài)外觀張力），也就是外觀張力會(huì)隨著時(shí)間發(fā)生轉(zhuǎn)變（一樣平常是隨時(shí)間降落），這會(huì)引起接觸角也隨著時(shí)間發(fā)生響應(yīng)的轉(zhuǎn)變（隨著液體外觀張力的降低，接觸角減小）。
　　決定接觸角大小的另一因數(shù)是固體外觀的屬性。這里所指的屬性可以有不同的范疇：
　　固體外觀的外觀自由能（surface free energy SFE）及其分子作用力的本質(zhì)，如極性和非極性作用力的組份?？梢哉J(rèn)為固體外觀的外觀自由能是由其分子作用力的大小和本質(zhì)以及分子在外觀的排列、結(jié)構(gòu)所決定的；對(duì)于一給定的固體外觀，其外觀自由能數(shù)值也應(yīng)是給定的。但固體外觀與液體外觀不同，后者幾乎瞬間可以達(dá)到平衡，而固體外觀因?yàn)榉肿拥幕顒?dòng)受到限定，在實(shí)際中很難達(dá)到真正意義上的平衡態(tài)。固體外觀隨著時(shí)間的松弛，從理論上講，也會(huì)影響接觸角的數(shù)值，而現(xiàn)實(shí)中這一點(diǎn)也每每可以被觀察到。
　　固體外觀的其它屬性。除了上面提到的分子作用力的本質(zhì)，一些其它的物理、化學(xué)屬性也會(huì)影響接觸角的大小。它們包括：
　　固體外觀的平整、光滑性（smoothness），或者用其對(duì)立面來衡量，也即外觀的粗糙度（roughness）。粗糙度可以是無序的（stochastic）外觀凸、凹的分布，也可以是確定的、特別很是有序的、規(guī)則的微結(jié)構(gòu)分布，這些特性的尺寸可以是微米或納米數(shù)量級(jí)的。
　　外觀的粗糙度將會(huì)對(duì)液體在固體外觀的表觀接觸角（apparent contact angle）產(chǎn)生影響。表觀接觸角是指通過一樣平常的（宏觀）接觸角測量技術(shù)（包括光學(xué)法和稱重法）觀測、測得的接觸角數(shù)值，也就是我們能通過視頻光學(xué)測量法獲得的數(shù)值。表觀接觸角的大小在很大程度上受到液滴與固體外觀形成的三相接觸線/周邊（three phase conatct line / circumference）的影響：假如外觀是特別很是平整的、光滑的，那么三相接觸線在鋪展過程中不會(huì)碰到任何阻滯（retention / pinning），液滴終將達(dá)到其響應(yīng)的熱力學(xué)平衡態(tài)，呈現(xiàn)的（平衡）接觸角也只由液體和固體外觀的分子作用力的本質(zhì)所決定，如許的接觸角也稱為楊氏接觸角。
　　假如固體外觀呈現(xiàn)出尺寸充足大的粗糙度，三相接觸線在鋪展過程中就會(huì)碰到粗糙結(jié)構(gòu)的阻滯（pinning），使其無法總是跨越停滯、達(dá)到熱力學(xué)平衡態(tài)。在這種情況下，液滴在固體外觀形成的表觀接觸角就不再是一恒定值，而是可在某一范圍內(nèi)波動(dòng)，詳細(xì)的數(shù)值大小取決于液滴的三相接觸線形成的方式和經(jīng)歷（drop creation history）。這一征象被稱為接觸角的滯后效應(yīng)（contact angle hysteresis，CAH）。對(duì)于如許的固體外觀，只測量一個(gè)接觸角的值并不能完備地描述其潤濕舉動(dòng)，而應(yīng)該通過測量前進(jìn)接觸角、后退接觸角和滑動(dòng)角（sliding angle）來表征（見圖2）。
　　假如引起固體外觀粗糙度的微結(jié)構(gòu)特別很是邃密，尺寸在亞微米或納米數(shù)量級(jí)，而且固體材料與液體的接觸角值又是在90度以上，此時(shí)預(yù)先輩入到微結(jié)構(gòu)內(nèi)的空氣將不會(huì)被液體擠走，而是被液體圍困而滯留在微結(jié)構(gòu)內(nèi)，起到彌補(bǔ)微結(jié)構(gòu)空域的作用，從而形成空氣和固體外觀相交叉的復(fù)合外觀?？諝獾拇嬖趯⑦M(jìn)一步表觀接觸角的數(shù)值，可以說，任何水的表觀接觸角大于120度的固體外觀，都存在如許的微結(jié)構(gòu)，是一空氣和固體材料形成的復(fù)合外觀，觀測到的表觀接觸角值可以認(rèn)為是液體在固體外觀和空氣外觀的接觸角的某一比例平均值（水在空氣外觀的接觸角值被認(rèn)為高達(dá)180度?。?。天然界的荷花葉，和近幾年來制備的超疏水性外觀均是如許的例子。
　　在涂料工業(yè)，制造具有粗糙形貌外觀的一典型技術(shù)是運(yùn)用無光澤涂料（matte paint）。在簡單的情況下，可通過在涂料中添加一些固體的、特別的消光劑（matting agent），這些消光劑在經(jīng)過涂料干燥工序后會(huì)作為渺小的疙瘩露出在涂料外觀（見圖3），由于在干燥過程中因?yàn)槿軇]發(fā)和膠合劑的硬化萎縮會(huì)引起涂料的體積收縮。消光劑顆粒的大小決定了外觀形貌的尺寸。
　　通過選擇合適的消光劑顆粒，涂料基體和色素體積濃度就可以控制涂層外觀的粗糙度，從而控制水滴在得到的外觀上的接觸角大小。采用這種方法可以獲得水接觸角在140度以上的（超）疏水外觀。
　　固體外觀的化學(xué)屬性分布不均勻性（chemical inhomogeneity）：這里的化學(xué)屬性是指化學(xué)組成。因?yàn)榉N種緣故原由，固體外觀的化學(xué)組成分布可以呈現(xiàn)出不均一性：這可以是制造過程造成的，可以是相星散引起的，可以是清洗不留下的，也可以是被污染（雜質(zhì)）所致等?；瘜W(xué)屬性分布的不均勻性對(duì)接觸角產(chǎn)生的影響在肯定程度上可以與外觀粗糙度相比擬：不同的化學(xué)組分與液體的作用力也不同，作用力較強(qiáng)的組分將對(duì)液滴起到銷?。╬inning）效應(yīng)，阻滯它鋪展到平衡狀況。所以化學(xué)屬性分布的不均勻性將同樣地引起接觸角的滯后效應(yīng)，擴(kuò)大可呈現(xiàn)的表觀接觸角的數(shù)值范圍。
　　溫度和空氣的濕度偶然候也會(huì)影響接觸角的大小。但假如溫度或濕度的轉(zhuǎn)變范圍不是很大，一樣平常情況下，對(duì)接觸角產(chǎn)生的影響也不會(huì)很大。
　　從上面的討論可以看出，對(duì)于涂料這類外觀，接觸角不但與涂料的化學(xué)組成有關(guān)，也與外觀的光潔度有關(guān)。在統(tǒng)一涂料配方中添加不同的色素，不但改變了涂料的化學(xué)組成，也可能改變涂層外觀的粗糙度。另外色素有可能優(yōu)先聚集在涂層外觀，這將更大程度上造成外觀屬性的改變。所以添加不同的色素得到的涂層外觀，可能呈現(xiàn)出不同的接觸角。