水滴角測(cè)量?jī)x系統(tǒng)

液體在固體材料表面上的接觸角, 是衡量該液體對(duì)材料表面潤(rùn)濕性能的重要參數(shù)。通過接觸角的測(cè)量可以獲得材料表面固-液、固-氣界面相互作用的許多信息。接觸角測(cè)量技術(shù)不僅可用于常見的表征材料的表面性能, 而且接觸角測(cè)量技術(shù)在石油工業(yè)、浮選工業(yè)、醫(yī)藥材料、芯片產(chǎn)業(yè)、低表面能無毒防污材料、油墨、化妝品、農(nóng)藥、印染、造紙、織物整理、洗滌劑、噴涂、污水處等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。
若θ<90°，則固體表面是親水性的，即液體較易潤(rùn)濕固體，其角越小，表示潤(rùn)濕性越好；若θ>90°，則固體表面是疏水性的，即液體不容易潤(rùn)濕固體，容易在表面上移動(dòng)。至于是否液體能進(jìn)入毛細(xì)管，這個(gè)還與具體液體有關(guān)，并非所有液體在較大夾角下*不進(jìn)入毛細(xì)管。[1]

潤(rùn)濕過程與體系的界面張力有關(guān)。一滴液體落在水平固體表面上，當(dāng)達(dá)到平衡時(shí)，形成的接觸角與各界面張力之間符合下面的楊氏公式（Young Equation）:

γSV= γSL+ γLV×cosθe

由它可以預(yù)測(cè)如下幾種潤(rùn)濕情況：

1）當(dāng)θ=0，*潤(rùn)濕；

2）當(dāng)θ﹤90°，部分潤(rùn)濕或潤(rùn)濕；

3）當(dāng)θ=90°，是潤(rùn)濕與否的分界線；

4）當(dāng)θ﹥90°，不潤(rùn)濕；

5）當(dāng)θ=180°，*不潤(rùn)濕。

毛細(xì)現(xiàn)象中液體上升、下降高度h。h的正負(fù)表示上升或下降。

浸潤(rùn)液體上升，接觸角為銳角；不浸潤(rùn)液體下降，接觸角為鈍角。

上升高度h=2*表面張力系數(shù)/（液體密度*重力加速度g*液面半徑R）。

上升高度h=2*表面張力系數(shù)*cos接觸角/（液體密度*重力加速度g*毛細(xì)管半徑r）。

潤(rùn)濕性問題與采礦浮選、石油開采、紡織印染、農(nóng)藥加工、感光膠片生產(chǎn)、油漆配方以及防水、洗滌等都有密切關(guān)系。

The contact angle is the angle at which a liquid/vapor interface meets the solid surface. The contact angle is specific for any given system and is determined by the interactions across the three interfaces. Most often the concept is illustrated with a small liquid droplet resting on a flat horizontal solid surface. The shape of the droplet is determined by the Young Relation. The contact angle plays the role of a boundary condition. Contact angle is measured using a contact angle goniometer. The contact angle is not limited to a liquid/vapour interface; it is equally applicable to the interface of two liquids or two vapours.
接觸角現(xiàn)有測(cè)試方法通常有兩種:其一為外形圖像分析方法;其二為稱重法.后者通常稱為潤(rùn)濕天平或滲透法接觸角儀.但目前應(yīng)用廣泛,測(cè)值直接與準(zhǔn)確的還是外形圖像分析方法.

外形圖像分析法的原理為,將液滴滴于固體樣品表面,通過顯微鏡頭與相機(jī)獲得液滴的外形圖像, 再運(yùn)用數(shù)字圖像處理和一些算法將圖像中的液滴的接觸角計(jì)算出來.

計(jì)算接觸角的方法通常基于一特定的數(shù)學(xué)模型如液滴可被視為球或圓椎的一部分,然后通過測(cè)量特定的參數(shù)如寬/高或通過直接擬合來計(jì)算得出接觸角值。Young-Laplace方程描述了一封閉界面的內(nèi)、外壓力差與界面的曲率和界面張力的關(guān)系，可用來準(zhǔn)確地描述一軸對(duì)稱的液滴的外形輪廓，從而計(jì)算出其接觸角。

紙張的接觸角測(cè)量可參照 Tappi T 558執(zhí)行。

煙用紙張的接觸角可參照我國(guó)制煙行業(yè)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YC/T 424-2011“煙用紙表面潤(rùn)濕性能的測(cè)定 接觸角法”執(zhí)行。

水滴角測(cè)量?jī)x系統(tǒng)可以按不同的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類。按照直接測(cè)量物理量的不同,可分為量角法、測(cè)力法、長(zhǎng)度法和透過法。按照測(cè)量時(shí)三相接觸線的移動(dòng)速率,可分為靜態(tài)接觸角、動(dòng)態(tài)接觸角(又分前進(jìn)接觸角和后退接觸角)和低速動(dòng)態(tài)接觸角。按照測(cè)試原理又可分為靜止或固定液滴法 、Wilhemly板法 、捕獲氣泡法、毛細(xì)管上升法和斜板法。
另外機(jī)械上常指軸承接觸角：

在球軸承中，球與內(nèi)外圈溝道的接觸，一般各為一點(diǎn)。接觸點(diǎn)連線沿溝道法線并且通過球中心。外部負(fù)荷則沿著該直線，由一個(gè)套圈傳遞至另一個(gè)套圈，因此，人們稱之為軸承壓力線，并將壓力線與徑向平面之間的二面角稱為壓力角。

在滑動(dòng)軸承中，是指軸頸與滑動(dòng)軸承的接觸面所對(duì)的圓心角。接觸角不可太大也不可太小。接觸角太小會(huì)使滑動(dòng)軸承壓強(qiáng)增加，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使滑動(dòng)軸承產(chǎn)生較大的變形，加速磨損，縮短使用壽命；接觸角太大，會(huì)影響油膜的形成，得不到良好的液體潤(rùn)滑。試驗(yàn)研究表明，滑動(dòng)軸承接觸角的極限是120°。當(dāng)滑動(dòng)軸承磨損到這一接觸角時(shí)，液體潤(rùn)滑就要破壞。因此在不影響滑動(dòng)軸承受壓條件的前提下，接觸角愈小愈好。從摩擦力矩的理論分析，當(dāng)接觸角為60°時(shí)，摩擦力矩小，因此建議，對(duì)轉(zhuǎn)速高于500r/min的滑動(dòng)軸承，接觸角采用60°，轉(zhuǎn)速低于500r/min的滑動(dòng)軸承，接觸角可以采用90°，也可以采用60°。

由于其摩擦力矩小所以在工程建設(shè)中廣泛運(yùn)用于防水分項(xiàng)工程，在防水分項(xiàng)工程底基層施工時(shí)，地面與墻面的接觸角通常做成R角形狀以達(dá)到防水的作用。
任何兩相物體相接處時(shí)，接觸面的表面張力就表現(xiàn)為界面張力。用表示。

當(dāng)氣體在水中固體表面附著并達(dá)到平衡時(shí)，任意兩相之間的界張力

可以看出，當(dāng)3個(gè)力達(dá)到平衡時(shí)，有如下的平衡方程式，即：

固氣= 固液+ 液氣

式中，固氣、液氣和固液分別為固-氣、和固-液界面的表面張力（或表面自由能）；為接觸角。這一平衡狀態(tài)方程式楊氏在1805年確定的，稱為楊氏方程。

上式表明，接觸角式三個(gè)相界面自由能的函數(shù)，它既與礦物表明性質(zhì)有關(guān)，也與液相、氣相的界面性質(zhì)有關(guān)。凡是恩能夠因其任何三相界面自由能改變的因素，都額可以影響礦物表面的潤(rùn)濕性。

接觸角度量與礦物可浮性的關(guān)系。根據(jù)楊氏方程，由θ的大小，可以度量不同礦物潤(rùn)濕程度的高低。 當(dāng)θ<90°，固氣>液氣，液滴被拉開，沿礦物表面展開，礦物表面被潤(rùn)濕，表現(xiàn)為親水。

當(dāng)θ>90°，固氣< 液氣，液滴收縮，沿礦物表面聚集成珠狀，礦物表面不易被潤(rùn)濕，表現(xiàn)為疏水。

θ=90°，cosθ=0，規(guī)定為疏水表面與親水表面的分界線。當(dāng)θ=0，cosθ=1，固體被液體*潤(rùn)濕。

當(dāng)θ=180°，cosθ=-1，液滴對(duì)固體*不潤(rùn)濕。

即接觸角愈大，cosθ愈小，其可浮性愈好。并且cosθ值介于-1~1之間，于是對(duì)礦物的潤(rùn)濕性與可浮性的度量定義為

潤(rùn)濕性=cosθ

可浮性=1-cosθ

接觸角與礦物可浮性之間的關(guān)系式：接觸角愈大，cosθ值就愈小，其潤(rùn)濕性愈弱，則可浮性愈好；反之，接觸角愈小，cosθ值就愈大，其潤(rùn)濕性愈強(qiáng)，則可浮性愈差。

礦物接觸角可以測(cè)得，下表列出了部分礦物的接觸角測(cè)定值，依據(jù)接觸角可大致判斷各種礦物的天然可浮性。[2]

部分礦物接觸角測(cè)定值