浸潤(rùn)性與接觸角

蓮藕從淤泥中拔出比較干凈、荷葉表面的水近似呈球狀、水黽可以在水面行走、雨披可以防雨、農(nóng)藥溶液能散布于農(nóng)作物表面等現(xiàn)象，與液體對(duì)固體表面的浸潤(rùn)（又稱濕潤(rùn)，wetting）有關(guān)。引起浸潤(rùn)現(xiàn)象是源于分子間相互作用的表面張力，表面張力是界面上單位面積的自由能。如圖1-1是液體在固體表面的靜態(tài)濕潤(rùn)模型：

圖1-1 靜態(tài)接觸角示意圖

接觸角θ指的是在氣——液——固交界處（三重線，又稱接觸點(diǎn)）液——固交界面與氣——液交界面的夾角，用于衡量浸潤(rùn)程度，其值越小則浸潤(rùn)性越好。假設(shè)不受限于分子直徑，液體在固體表面無(wú)限鋪展開(kāi)，這稱為完全浸潤(rùn)，此時(shí)θ=0°；液體與固體的接觸面具有一定的面積且0°＜θ＜180°，則稱為不完全浸潤(rùn)；如果θ=180°，則稱為完全不浸潤(rùn)。一般定義θ<90°時(shí)，液體可以濕潤(rùn)（浸潤(rùn)）固體；θ＞90°時(shí)，液體不可以濕潤(rùn)固體。

水是最常見(jiàn)的液體，它的浸潤(rùn)情況與憎水性（hydrophobicity）對(duì)應(yīng)，接觸角越大時(shí)則表示憎水性越好。

● 當(dāng)θ＜90°時(shí)通常稱對(duì)應(yīng)材料具有親水性；

● 當(dāng)θ>90°時(shí)通常稱對(duì)應(yīng)材料具有憎水性。

液體對(duì)固體的浸潤(rùn)作用一般可用黏附功來(lái)表征，它表示在真空中使單位面積的液體與固體的界面分離，留下裸固體表面所需的功，即

    （1-1）

式中：為黏附功：、分別為真空中固體、液體的表面張力：為液——固相的界面張力。

黏附功越大說(shuō)明液體的浸潤(rùn)性越好。雖然黏附功可以準(zhǔn)確表征沒(méi)潤(rùn)性，但實(shí)際中，由于涉及固體的表面張力，準(zhǔn)確測(cè)量難度高，以黏附功表征浸潤(rùn)性的做法難以實(shí)現(xiàn)。為了得到一個(gè)便于實(shí)際測(cè)量且能準(zhǔn)確表征浸潤(rùn)性的量，經(jīng)過(guò)推導(dǎo)發(fā)現(xiàn)黏附功與液體表面張力和接觸角滿足如下關(guān)系

（1-2）

式（1-2）稱為 Young-Dupre 公式，它給出了黏附功與液體表面張力和接觸角的關(guān)系。假設(shè)接觸角為180°時(shí)，由式（1-2）可知黏附功為0，固液不存在吸引力，分離過(guò)程無(wú)需做功，液體完全不能浸潤(rùn)固體。

將式（1-1）帶入式（1-2）得到式（1-3）

    （1-3）

式（1-3）稱為 Young 方程，θ又稱 Young接觸角。