技術(shù)文章
TECHNICAL ARTICLES液體在固體材料表面上的接觸角, 是衡量該液體對材料表面潤濕性能的重要參數(shù)。通過接觸角的測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, 而且接觸角測量技術(shù)在石油工業(yè)、浮選工業(yè)、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)域有著應(yīng)用。
若θ<90°,則固體表面是親水性的,即液體較易潤濕固體,其角越小,表示潤濕性越好;若θ>90°,則固體表面是疏水性的,即液體不容易潤濕固體,容易在表面上移動。至于是否液體能進入毛細管,這個還與具體液體有關(guān),并非所有液體在較大夾角下*不進入毛細管。[1]
潤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)達到平衡時,形成的接觸角與各界面張力之間符合下面的楊氏公式
γSV= γSL+ γLV×cosθe
由它可以預(yù)測如下幾種潤濕情況:
1)當(dāng)θ=0,*潤濕;
2)當(dāng)θ﹤90°,部分潤濕或潤濕;
3)當(dāng)θ=90°,是潤濕與否的分界線;
4)當(dāng)θ﹥90°,不潤濕;
5)當(dāng)θ=180°,*不潤濕。
毛細現(xiàn)象中液體上升、下降高度h。h的正負表示上升或下降。
浸潤液體上升,接觸角為銳角;不浸潤液體下降,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*毛細管半徑r)。
潤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。
T
接觸角現(xiàn)有測試方法通常有兩種:其一為外形圖像分析方法;其二為稱重法.后者通常稱為潤濕天平或滲透法接觸角儀.但目前應(yīng)用廣泛,測值直接與準(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獲得液滴的外形圖像, 再運用數(shù)字圖像處理和一些算法將圖像中的液滴的接觸角計算出來.
計算接觸角的方法通?;谝惶囟ǖ臄?shù)學(xué)模型如液滴可被視為球或圓椎的一部分,然后通過測量特定的參數(shù)如寬/高或通過直接擬合來計算得出接觸角值。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)確地描述一軸對稱的液滴的外形輪廓,從而計算出其接觸角。
接觸角測量方法可以按不同的標(biāo)準(zhǔn)進行分類。按照直接測量物理量的不同,可分為量角法、測力法、長度法和透過法。按照測量時三相接觸線的移動速率,可分為靜態(tài)接觸角、動態(tài)接觸角(又分前進接觸角和后退接觸角)和低速動態(tài)接觸角。按照測試原理又可分為靜止或固定液滴法 、Wilhemly板法 、捕獲氣泡法、毛細管上升法和斜板法。
另外機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。接觸點連線沿溝道法線并且通過球中心。外部負荷則沿著該直線,由一個套圈傳遞至另一個套圈,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。
在滑動軸承中,是指軸頸與滑動軸承的接觸面所對的圓心角。接觸角不可太大也不可太小。接觸角太小會使滑動軸承壓強增加,嚴重時會使滑動軸承產(chǎn)生較大的變形,加速磨損,縮短使用壽命;接觸角太大,會影響油膜的形成,得不到良好的液體潤滑。試驗研究表明,滑動軸承接觸角的極限是120°。當(dāng)滑動軸承磨損到這一接觸角時,液體潤滑就要破壞。因此在不影響滑動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,摩擦力矩小,因此建議,對轉(zhuǎn)速高于500r/min的滑動軸承,接觸角采用60°,轉(zhuǎn)速低于500r/min的滑動軸承,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)中廣泛運用于防水分項工程,在防水分項工程底基層施工時,地面與墻面的接觸角通常做成R角形狀以達到防水的作用。
任何兩相物體相接處時,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到平衡時,任意兩相之間的界張力
可以看出,當(dāng)3個力達到平衡時,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*潤濕。
當(dāng)θ=180°,cosθ=-1,液滴對固體*不潤濕。
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,于是對礦物的潤濕性與可浮性的度量定義為
潤濕性=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,其潤濕性愈弱,則可浮性愈好;反之,接觸角愈小,cosθ值就愈大,其潤濕性愈強,則可浮性愈差。
礦物接觸角可以測得,下表列出了部分礦物的接觸角測定值,依據(jù)接觸角可大致判斷各種礦物的天然可浮性。[2]
部分礦物接觸角測定值
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