當需要表征表面的潤濕性和附著性時，表面的化學性質(zhì)和形貌性質(zhì)在許多不同的應用和工藝中都是重要的參數(shù)。潤濕性可以通過測量基材與給定液體間的接觸角來研究。楊氏方程便描述了固、液、氣三相間的平衡：

其中γsv、γsl、γlv為界面張力，θγ為楊氏接觸角。楊氏方程假定材料表面化學均一，形貌光滑。然而在真實的表面上述假定通常是不存在的，在真實的表面上通常并不是一個平衡狀態(tài)下的接觸角值，而是在前進角和后退角之間顯示一個接觸角范圍。

在理想表面上使用楊氏方程，測量的接觸角為楊氏接觸角（見上面圖片）。在真實的表面上，實際接觸角是液體-流體界面的切線與實際固體局部表面之間的夾角（見下面圖片）。然而，測量的接觸角是在宏觀上看到的，液體-流體界面的切線和代表表觀固體表面的線之間的夾角。實際接觸角值和表面接觸角值會有很大的差異。在理論上計算固體表面自由能時，應采用實際接觸角。

Wenzel方程描述了表面粗糙度與浸潤性之間的關(guān)系

粗糙度和潤濕性的關(guān)系是1936年Wenzel提出的，增加表面粗糙度可提高表現(xiàn)化學性質(zhì)引起的潤濕性。例如，表面在化學上是疏水的，當增加表面粗糙度時，將變得更疏水。Wenzel方程的具體表述如下：

θm為測量所得接觸角，θγ為楊氏接觸角，r為粗糙度比率。粗糙度比率的定義為實際和投影實體表面積的比值（光滑表面r=1，粗糙表面r>1）。需要注意的是，Wenzel方程是基于液體完全穿透粗糙表面的假設(shè)。Wenzel是一種近似值，對于粗糙表面來講液滴越大測試結(jié)果越接近真實值。由此可知，如果液滴比粗糙度尺度大兩到三個數(shù)量級，則適用Wenzel方程。

      廣義的潤濕是指表面上一種流體被另一種流體取代的過程。在通常情況下潤濕是指在固 體表面上空氣被水或其他液體取代的過程。為了評價材料表面的潤濕性，我們可以采用測量 液體在固體材料表面上接觸角的方法。 

      在材料表面上附著的液滴會呈現(xiàn)出一定形狀，這個形狀取決于固體-液體-氣體各界面之 間的張力平衡。1805 年 Thomas Young 首先提出了一個方程描述這個平衡態(tài)。

圖 1 Young 方程 

      就接觸角的數(shù)值而言，接觸角越小說明固體表面越容易被液體潤濕，接觸角越大說明固 體表面越難被液體潤濕。 

      對于理想的固體表面，當液滴在表面達到力學平衡后，只有一個符合 Young 方程的接觸角值。然而，實際上材料表面都是非理想的，材料表面會有一定的粗糙度，材料表面的化學性質(zhì)不均一甚至被污染，所以必然會出現(xiàn)接觸角滯后的現(xiàn)象。所謂接觸角滯后就是指液滴在 潤濕材料表面的過程中，所呈現(xiàn)出的接觸角不斷變化的現(xiàn)象。在真實條件下測量出的接觸角 值總是在處于Z大前進角和Z小后退角之間的一個數(shù)值。

      由于以上提到的原因，我們知道接觸角的測量結(jié)果是和液滴形成的過程直接相關(guān)的，液 滴形狀大小的變化和三相接觸線的運動會直接反應到前進角和后退角的測量結(jié)果上。在某些 材料表面上測量前進角和后退角的差值甚至達到 90°以上。測量動態(tài)接觸角能夠定量的描 述接觸角滯后的現(xiàn)象，為液體在實際材料表面上的潤濕研究提供了有力的方法。 

      在接觸角測量的專業(yè)領(lǐng)域，大家普遍認為單純測量靜態(tài)接觸角不足以表征材料表面的潤濕特性，只有通過測量包括前進接觸角和后退接觸角值在內(nèi)的動態(tài)接觸角才能為表征待測體 系的潤濕特性提供更完整的信息。測量實際材料表面上的接觸角也比估算理想表面上的接觸角更有意義。

      目前使用光學接觸角測量儀測量動態(tài)接觸角的方法有傾斜臺法、離心轉(zhuǎn)臺法和加液/減 液法三種。

      diyi種方法是傾斜臺法又稱斜板法。實驗是將一個液滴置于待測的樣品表面后，利用傾 斜臺緩慢地傾斜樣品表面，同時跟蹤并記錄液滴形狀、接觸角和位置的變化。傾斜剛開始時 液滴不一定發(fā)生移動，但是形狀會開始發(fā)生變化，使得下方的接觸角不斷地增大，而上方的 接觸角則不斷地變小，當表面傾斜到一定角度時，液滴開始發(fā)生滾動或滑動，此時液滴下方 三相接觸點發(fā)生運動之前對應的接觸角就是Z大前進角，而液滴上方三相接觸點發(fā)生運動之 前對應的接觸角就是Z小后退角。當液滴整體剛剛開始發(fā)生滾動（滑動）時的表面傾斜角， 就叫滾動角（滑動角）。

圖 2 傾斜臺法測量動態(tài)接觸角和滾動角 

      使用傾斜臺法測量動態(tài)接觸角的特點是不僅能測量到前進角和后退角變化的全過程，而 且能得到液滴在材料表面上的滾動角。

      第二種方法是離心旋轉(zhuǎn)臺法又稱滯留力天平法，實驗是將一個液滴置于待測的樣品表面 后，利用離心旋轉(zhuǎn)臺使液滴沿著圓周轉(zhuǎn)動，同時跟蹤并記錄液滴形狀、接觸角和位置的變化。 隨著轉(zhuǎn)速的不斷增加，液滴整體受到的離心力越來越大，液滴開始發(fā)生形狀變化，并且順著 旋轉(zhuǎn)半徑的方向在材料表面上滑動的趨勢越來越明顯，直到發(fā)生滑動。在形狀變化過程中外 側(cè)的接觸角不斷地增大，而內(nèi)側(cè)的接觸角則不斷地變小，當轉(zhuǎn)速達到一個臨界值時，液滴開 始發(fā)生整體滑動，此時液滴外側(cè)三相接觸點發(fā)生運動之前對應的接觸角就是Z大前進角，而 液滴內(nèi)側(cè)三相接觸點發(fā)生運動前對應的接觸角就是Z小后退角。根據(jù)液滴體積、轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn) 半徑計算得到的離心力就等于液滴在材料表面上的滯留力。

上圖從左至右轉(zhuǎn)速和離心力逐漸增加

圖 3 離心轉(zhuǎn)臺法測量動態(tài)接觸角 

使用離心轉(zhuǎn)臺法測量動態(tài)接觸角的特點是不僅能測量到前進角和后退角變化的全過程，而且能得到液滴在材料表面上的滯留力。這個方法不僅適用于疏水材料也適用于親水材料。 

      第三種方法是加液-減液法又稱注液-吸液法，實驗是將一個液滴置于待測的樣品表面后， 把注射針插入液滴內(nèi)部，緩慢的注射液體使液滴體積增大到一定數(shù)值，之后再緩慢的回吸液 體使液滴體積減小到一定數(shù)值，同時跟蹤并記錄液滴形狀、接觸角和位置的變化。在液體注 射和回吸過程中兩側(cè)的接觸角不斷地變化，三線接觸點同時發(fā)生移動。如果液體注射和回吸 的速度足夠緩慢，三相接觸點運動接近一個亞平衡狀態(tài)，過程中可以得到Z大前進角和Z小后退角。

圖 4 加液-減液法測量動態(tài)接觸角 

      使用加液-減液法測量動態(tài)接觸角的特點是能測量到前進角和后退角變化的全過程，而 且不需要額外的特殊附件，投資較低。缺點是液滴形狀會受到注射針的影響而導致接觸角計算的誤差。

（來源：北京東方德菲儀器有限公司）

       潤濕性是與自然界、工業(yè)過程和我們?nèi)粘Ｉ钕⑾⑾嚓P(guān)的一個重要屬性?；谧畏ǖ慕佑|角測量正成為表征液體和固體表面之間潤濕性的一個標準、強大的工具。固體樣品有很 大一部分，以分散顆粒、粉末的形式存在，或具有連續(xù)但多孔的結(jié)構(gòu)。對于這類樣品來說， 用標準的座滴法來合理地確定接觸角是很難或不可能的。

       針對此類測量，德國LAUDA Scientific公司將粉末/多孔介質(zhì)模塊(POM)引入到LSA100光學接觸角測量儀中，擴展為新的設(shè)備LSA100POM粉末潤濕性測量儀。LSA100POM通過視頻實時跟蹤吸收液的液面變化，精確測量吸收液的體積，根據(jù)Washburn法計算粉末及多孔材料的動態(tài)接觸角。LSA100POM不僅表征了粉末及多孔材料的潤濕性能，還實現(xiàn)了Washburn法的可視化。

       通常，粉末及多孔材料潤濕性的表征需要兩臺儀器才可以完成，LSA100POM打破了這個常規(guī)，徹底放棄了重量法張力儀的輔助，在同一臺儀器上測量不同浸潤性能(親水/疏水，親油/疏油)的粉末及多孔材料。

LSA100POM粉末潤濕性測量儀的優(yōu)勢特點如下： 

||  實時跟蹤液面

LSA100POM 實時跟蹤吸收液的液面變化，并具有全自動補液 維持液面恒定的功能。 可跟蹤的液面高度精度達到10微米。

||  實時跟蹤吸收液的體積

LSA100POM 實時跟蹤吸收液的體積變化，并全自動輸出吸收體積（V）及吸收體積平方（V2）隨時間變化的曲線圖。體積測量精度達到0.1微升。

||  標準化的裝樣方式

LSA100POM配有進樣棒和標準重量砝碼，使每次裝樣都是標準化的，從而降低粉末樣品的不同堆積密度對測量的影響。標準化的裝樣方式使LSA00POM可以輕松、準確地測量大比表面積的樣品，如：氣相法二氧化硅，電池專用炭黑等。

||  便于清洗的樣品管

LSA100POM的樣品管，采用可拆卸雙通式設(shè)計。便于清洗及高溫處理。樣品管無玻璃 棉襯底，保證了有色粉末樣品（如:炭黑）在樣品管上的無殘留。確保樣品管可快速重復使 用，大大提供了測量效率。

||  便于操作的一鍵模板式測量軟件

LSA100POM的粉末測量軟件，采用一鍵模板式設(shè)計，便于不同操作者的標準化重復測量。

       LAUDA Scientific 接觸角測量儀廣泛應用于各個行業(yè)領(lǐng)域，如與材料和界面化學相關(guān)的實驗室，以及石油行業(yè)、化學化工、電子電路、醫(yī)療生物等領(lǐng)域，是科研工作者的有力工具。