解讀影響接觸角值的因素有哪些

接觸角是一用來(lái)衡量一液體在一固體表面的潤(rùn)濕性（鋪展性）的參數(shù)，其數(shù)值大小取決于液體和固體表面的特性（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主要包括液體的表面張力，以及引起表面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。如果液體是一多組分體系（如涂料），液體的表面張力一般呈現(xiàn)時(shí)間依賴性（動(dòng)態(tài)表面張力），也就是表面張力會(huì)隨著時(shí)間發(fā)生變化（一般是隨時(shí)間下降），這會(huì)引起接觸角也隨著時(shí)間發(fā)生相應(yīng)的變化（隨著液體表面張力的降低，接觸角減?。?。

決定接觸角大小的另一因數(shù)是固體表面的屬性。這里所指的屬性可以有不同的范疇：

1.固體表面的表面自由能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)為固體表面的表面自由能是由其分子作用力的大小和本質(zhì)以及分子在表面的排列、結(jié)構(gòu)所決定的；對(duì)于一給定的固體表面，其表面自由能數(shù)值也應(yīng)是給定的。但固體表面與液體表面不同，后者幾乎瞬間可以達(dá)到平衡，而固體表面由于分子的運(yùn)動(dòng)受到限制，在現(xiàn)實(shí)中很難達(dá)到真正意義上的平衡態(tài)。固體表面隨著時(shí)間的松弛，從理論上講，也會(huì)影響接觸角的數(shù)值，而實(shí)際中這一點(diǎn)也往往可以被觀察到。

2.固體表面的其它屬性。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：

a.固體表面的平整、光滑性，或者用其對(duì)立面來(lái)衡量，也即表面的粗糙度。粗糙度可以是無(wú)序的表面凸、凹的分布，也可以是確定的、非常有序的、規(guī)則的微結(jié)構(gòu)分布，這些特征的尺寸可以是微米或納米數(shù)量級(jí)的。

表面的粗糙度將會(huì)對(duì)液體在固體表面的表觀接觸角產(chǎn)生影響。表觀接觸角是指通過(guò)一般的（宏觀）接觸角測(cè)量技術(shù)（包括光學(xué)法和稱重法）觀測(cè)、測(cè)得的接觸角數(shù)值，也就是我們能通過(guò)視頻光學(xué)測(cè)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表面形成的三相接觸線/周邊的影響：如果表面是非常平整的、光滑的，那么三相接觸線在鋪展過(guò)程中不會(huì)遇到任何阻滯，液滴終將達(dá)到其相應(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表面的分子作用力的本質(zhì)所決定，這樣的接觸角也稱為楊氏接觸角楊氏接觸角只與液體的表面張力 γlv
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 , 固體表面的表面自由能 γsv
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 和固體表面與液體接觸形成的固/液-界面的界面張力 γsl
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如果固體表面呈現(xiàn)出尺寸足夠大的粗糙度，三相接觸線在鋪展過(guò)程中就會(huì)遇到粗糙結(jié)構(gòu)的阻滯，使其無(wú)法總是跨越障礙、達(dá)到熱力學(xué)平衡態(tài)。在這種情況下，液滴在固體表面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)，具體的數(shù)值大小取決于液滴的三相接觸線形成的方式和經(jīng)歷。這一現(xiàn)象被稱為接觸角的滯后效應(yīng)。對(duì)于這樣的固體表面，只測(cè)量一個(gè)接觸角的值并不能完整地描述其潤(rùn)濕行為，而應(yīng)該通過(guò)測(cè)量前進(jìn)接觸角、后退接觸角和滑動(dòng)角來(lái)表征

如果引起固體表面粗糙度的微結(jié)構(gòu)非常精細(xì)，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)先進(jìn)入到微結(jié)構(gòu)內(nèi)的空氣將不會(huì)被液體擠走，而是被液體包圍而滯留在微結(jié)構(gòu)內(nèi)，起到填補(bǔ)微結(jié)構(gòu)空域的作用，從而形成空氣和固體表面相交叉的復(fù)合表面。空氣的存在將進(jìn)一步提高表觀接觸角的數(shù)值，可以說(shuō)，任何水的表觀接觸角大于120度的固體表面，都存在這樣的微結(jié)構(gòu)，是一空氣和固體材料形成的復(fù)合表面，觀測(cè)到的表觀接觸角值可以認(rèn)為是液體在固體表面和空氣表面的接觸角的某一比例平均值（水在空氣表面的接觸角值被認(rèn)為高達(dá)180度！）。自然界的荷花葉，和近幾年來(lái)制備的超疏水性表面均是這樣的例子。

接觸角在涂料工業(yè)，制造具有粗糙形貌表面的一典型技術(shù)是運(yùn)用無(wú)光澤涂料。在簡(jiǎn)單的情況下，可通過(guò)在涂料中添加一些固體的、消光劑，這些消光劑在經(jīng)過(guò)涂料干燥工序后會(huì)作為細(xì)微的疙瘩露出在涂料表面，因?yàn)樵诟稍镞^(guò)程中由于溶劑揮發(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表面形貌的尺寸。

通過(guò)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表面的粗糙度，從而控制水滴在得到的表面上的接觸角大小。采用這種方法可以獲得水接觸角在140度以上的（超）疏水表面。

b.固體表面的化學(xué)屬性分布不均勻性：這里的化學(xué)屬性是指化學(xué)組成。由于種種原因，固體表面的化學(xué)組成分布可以呈現(xiàn)出不均一性：這可以是制造過(guò)程造成的，可以是相分離引起的，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)生的影響在一定程度上可以與表面粗糙度相比擬：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)液滴起到銷住效應(yīng)，阻滯它鋪展到平衡狀態(tài)。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。

3.溫度和空氣的濕度有時(shí)候也會(huì)影響接觸角的大小。但如果溫度或濕度的變化范圍不是很大，一般情況下，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)于涂料這類表面，接觸角不但與涂料的化學(xué)組成有關(guān)，也與表面的光潔度有關(guān)。在同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，也可能改變涂層表面的粗糙度。另外色素有可能聚集在涂層表面，這將更大程度上造成表面屬性的改變。所以添加不同的色素得到的涂層表面，可能呈現(xiàn)出不同的接觸角。