一、接觸角的定義是什么？

1805年，英國科學家托馬斯·楊（Thomas Young）在研究潤濕和毛細現象時描述了界面張力和接觸角的定量關系。兩百多年來，楊氏方程已成為潤濕領域基本的理論之一。將一液滴滴在固體表面上，形成圖所示的形狀。在固-液-三相界面上，固氣的界面張力為γ_SV，固液的界面張力為γ_SL，氣液的界面張力為γ_LV。在三相交界處自固液界面經過液體內部到氣液界面的夾角叫接觸角θ。三相界面服從的關系就是著名的Young方程：

    Young方程是研究液固潤濕作用的基礎。接觸角θ的大小是判定潤濕性能好壞的依據。若θ=0，cosθ=1，液體*潤濕固體表面，液體在固體表面鋪展；0<θ<90°，液體可潤濕固體，且θ值越小，潤濕性能越好；90°<θ<180°，液體不潤濕固體；θ=180°，*不潤濕，液體在固體表面凝聚成小球。

二、接觸角的測定方法

• 停滴法（座滴法）

在光滑、均勻、水平的固體表面上放一小液滴，因液滴很小，重力作用可以忽略。可將液滴視作球體的一部分。測得液滴的高度h和底寬2r，由簡單的幾何分析可求出θ。

Sinθ=2hr/(h²+r²)

tanθ=2hr/(r²-h²)

• 插板法

將表面光滑、均勻的固體薄片垂直插入液體中，如果液體能夠濕潤次固體，則將沿薄片平面上升。升高值h和接觸角θ之間的關系為：

三、接觸角的滯后現象

考慮一個在水平面上具有穩定接觸角的液滴。若表面是理想光滑和均勻的，往這液滴加少量液體，則液滴周界的前沿向前拓展，但仍保持原來的接觸角。從液滴中抽取少量液體，則液滴的周界前沿向后收縮，但維持原來的接觸角。反之，若表面是粗糙的或不均勻的，向液滴加入一點液體只會使液滴變高，周界不動，從而使得接觸角變大，此時的接觸角稱為前進角θa。若加入足夠多的液體，液滴的周界會突然向前蠕動，此突然運動剛要發生時的角度稱為大前進角θa max。若從液滴中取出少量液體，液滴在周界不移動的情況下變得更平坦，接觸角變小，此時的接觸角稱為后退角θr。當抽取足夠多的液體時，液滴周界前沿會突然收縮，此突然收縮剛要發生時的角度稱為小后退角θr min。

在傾斜面上的前進角和后退角。假若沒有接觸角滯后，平板只要稍微傾斜一點，液滴就會滾動。接觸角的滯后時液滴能穩定在斜面上。這個事實表明，接觸角滯后的原因時由于液滴的前沿存在這能壘。

接觸角測量儀原理

恒壓下，當一液體放置在固體平面上時，液滴能自動地在固體表面鋪展開來，或以與固體表面成一定接觸角的液體存在。

接觸角測試儀，主要用于測量液體對固體的接觸角，即液體對固體的浸潤性，可以測量各種液體對各種材料的接觸角，如塊狀材料、纖維材料、紡織材料等，粉末樣品在壓片后也可測量。

表達式：

應用范圍

納米材料科學與工程已經成為世界性的研究熱點，在研究納米材料的表面改性時，往往要涉及潤濕接觸角這個概念。對石油、印染、醫藥、噴涂、選礦等行業的科研生產有非常重要的作用，尤其在材料表面改性研究方面的應用比較突出。

測試方法

①測試方式：座滴法

②接觸角分析方法：高寬法、楊拉普拉斯法、橢圓法、錐切法、圓法

③拍攝圖像方法：單張拍攝

④接觸角測試范圍：0<θ<180°

⑤測試分辨率：0.01°

⑥測試精度： 0.1°

具體操作如下：

1、在瓶口的微量進樣針中加入待測液體(注意排空氣泡)

2、啟動測試設備，設備自動將一滴液體滴在待測固體表面，成像系統將固體表面的液體投影到屏幕上，并立即凍結圖像，然后直接用軟件測量切線與相界面的夾角，直接測量出接觸角度的大小。

3、移動測試平臺，在未經測試的固體表面，重復上述操作，一般平行測試3-6個接觸角，取平均值。

應用案例(代表性圖譜展示)

測量液體在各種材料表面的鋪展、滲透、吸收等潤濕行為，測量靜態接觸角、靜態接觸角、測量分析固體的表面自由能、液體的界面和表面張力、全自動注射系統、前進角/后退角等全面功能。

案例一

案例二

將水、乙醇滴在待測基材表面，當液滴接觸界面時,開始記時,15S凍結圖像,測量接觸角測試5次，取平均值。

樣品對水的接觸角測試圖

樣品對乙醇的接觸角測試圖

測試結果如下：

案例三

液體表/界面張力與表面能

界面是指兩相接觸的約幾個分子厚度的過渡區，常見的兩相界面有:氣一液界面、氣一固界面、液一液界面、固一液界面和固一固界面。任何不相溶兩相間的張力叫界面張力。

‌表面張力‌：液體表面分子因受力不均產生的收縮力，宏觀表現為單位長度上的力(單位：N/m)，或單位表面積的能量(單位：J/m²)‌。

如同液體表面張力為氣體與液體間的界面張力一樣，固體表面自由能為氣體與固體間界面張力的一般定義，即在一定溫度和壓力下，形成單位新面積時外力所做的可逆功，是固體比表面吉布斯(Gibbs)自由能的簡稱。

‌表面能‌：固體表面原子因配位不飽和而具有的過剩能量，通常與表面張力數值相等，但本質不同(前者為固體屬性，后者為液體屬性)‌。

表面能決定了接觸角和粘接力

把一滴水滴在材料表面，會出現一個“接觸角”：

表面能高 → 液體鋪展得開 → 接觸角小

表面能低 → 液體蜷縮成滴 → 接觸角大

潤濕是粘接的前提，決定了膠黏劑能不能鋪展到整個表面。

高表面能液體不能潤濕低表面能固體;液體與固體表面能越接近，潤濕性越差;在同一固體上，波體的表面能越高，潤濕性越差;同一液體在表面能大的固體表面潤濕性好。

接觸角的測量原理基于表面張力和界面張力的平衡，其大小受到表面張力和固體表面的性質影響。如果液體分子與固體表面分子之間的相互作用較強，液體將更容易展開在固體表面上，接觸角就會變小，潤濕性更強，表示材料表面越親水;反之，如果相互作用較弱，接觸角就會變大，潤濕性較差，則材料表面越疏水。

當θ<90°時，我們稱固體表面為親水表面，如下圖中左側示意;

當θ>90°時，我們稱固體表面為疏水表面，如下圖中右側示意;

在假設固體表面為各向同性、均質、平坦的條件下，可以根據三相接觸點處的受力平衡，寫出接觸角表達式如下：

如果表面粗糙，定義粗糙因子R_f為固體表面真實表面積與投影面積之比，計算公式如下：

則粗糙因子對于接觸角影響如下：

因為R_f是一個大于1的數，所以針對一個親水表面，粗糙會使其更加親水;針對一個疏水表面，粗糙會使其更加疏水。

但是這個分析還有一定局限性在于對于表面粗糙狀態的表面僅通過面積之比，缺少更加復雜的表面形貌等信息，那些也會對接觸角帶來顯著的影響。

表面張力與表面能‌：在純液體中兩者數值相等，但概念不同。表面張力是力學描述，表面能是熱力學描述‌。

四、接觸角測量儀軟件功能包括哪些

　接觸角測量儀主要用于測量液體對固體的接觸角，即液體對固體的浸潤性，儀器能測量各種液體對各種材料的潤濕角/接觸角。同時可測量和計算表面液體張力/界面張力、固體表面張力/自由能。能測量各種液體對各種材料的接觸角。儀器采用機械電子一體化工藝制造，儀器采用先進的CMOS/CCD工業數字攝像機（可選配高速攝像和存儲功能的工業相機），配倍高清可變焦式顯微鏡筒和高亮度LED冷光源背景光源系統，XYZ三維樣品臺（可選配滾動平臺、自動控溫平臺），高精度進樣系統（可選配全自動進樣系統和全自動滴定系統）。

接觸角測量儀軟件功能包括：

（1）接觸角計算功能（測高法、量角法、自動分析法）；

（2）左右接觸角對比功能（可計算平均值）；

（3）九種常見表面自由能估算；

（4）自動基準線功能；

（5）軟件自動識別限位

（6）程序化設定測量點

（7）圖像和數據自動保存數據庫，可調閱和打印

（8）粘度功、內聚能、加液減液法測量滯后性

（9）懸滴法測量液體表面張力

五、接觸角測量儀的主要功能和應用范圍

接觸角測量儀的主要功能：

1、液滴在固體表面的接觸角測量（包括外相為氣體或不相混溶的液體）；
2、液滴在固體表面的動態接觸角測量（包括前進接觸角、后退接觸角、滾動角等）；
3、液—氣表面和液—液界面張力測量（懸滴法）；
4、表面活性劑臨界膠束濃度分析（懸滴法）；
5、固體表面自由能及其分量估算（包括表面能、臨界表面張力、色散力、極性力、氫鍵力、范德華分量、路易斯酸/堿分量等）；
6、潤濕性行為分析（包括競爭、粘附、潤濕、鋪展、吸收等）。

接觸角測量儀應用范圍：

1、納米材料與不同活性劑間濕潤性的測定與研究；
2、薄膜、織物、紙張等表面吸附/吸收過程分析；
3、親水鋁箔、巖芯、礦物、瀝青、絕緣子等潤濕性行為分析；
4、偏光片、膠片、眼鏡片等表面潤濕性和吸附性分析；
5、清洗行業的清洗效果檢測；
6、晶圓、封裝基板、LED、高精密部件等有機污染檢測；
7、玻璃、液晶屏、觸控屏等表面處理效果和清潔度檢測；
8、表面活性劑如化妝品、乳液、石油等分析與應用；
9、醫藥、食品、聚合物等表面競爭、吸附和浸透性分析；
10、粘貼劑與固體間的粘接程度研究與檢測；
11、纖維、碳纖維、玻璃纖維和樹脂等表征分析；
12、噴霧、油漆、涂料和油墨等配方設計和潤濕性分析；
13、清潔劑如肥皂、洗滌劑等表(界)面張力分析；
14、印刷、鍍膜、電鍍和上漆等表面附著力檢測。