接觸角是液滴或液體與固體表面之間的角度,通常是液體表面和固體表面的交界處形成的角度。當一液體與固體表面相接觸時,液體在與固體表面相接觸(點)處(三相接觸邊界,3PCP)其液/氣-界面形狀走向的切線與固體表面(包括液體相一側)之間的夾角。
在固體表面上的液滴(座滴)和接觸角
在固體表面上的液面和接觸角
這個角度的大小對于理解和描述液體在固體表面上的行為非常重要,尤其是在潤濕和表面張力的背景下。
當潤濕性很好時,液體可以在固體表面完全鋪展開,呈現 0° 的接觸角值;當潤濕性很差時,液體在固體表面完全無法鋪展,只能聚集在一起而包成一團,呈現 180° 的接觸角值;當潤濕性介于很好與很差之間時,液體在固體表面可以有限度地鋪展開來,形成介于 0°~180° 之間的接觸角。
這一有限的接觸角值是體系中各個不同的相互作用力的平衡,也是體系趨向*低能量的結果。
相互作用力包括哪些?
01
液體自身的表面張力(γLγL)
這一值越大,液體越傾向于聚集在一起、包成一團,而不愿意在固體表面上鋪展開來;
02
固體自身的表面張力或表面(自由)能(γSγS)
這一值越大,固體表面的能量位越高,越希望有能量較低的液體層能夠在其上面鋪展開來而覆蓋它,以降低體系的能量;
03
液體/固體表面-界面的相互作用力(γSLγSL)
這一值越小,固體表面對液體的吸引力越大,液體越能夠在其上面鋪展開來,導致較低的接觸角值。
所以,如果希望液體能夠較好地潤濕固體表面:液體的表面張力值越低、固體的表面能值越高、液體/固體表面-界面的相互作用力越強就越有利。
反之,如果希望液體*好不要潤濕固體表面:液體的表面張力值越高、固體的表面能值越低、液體/固體表面-界面的相互作用力越弱就越有可能。
如果假設液體的表面張力值(γLγL)是已知的(這一值可以直接測量,所以比較容易準確獲得),再假設 γSLγSL 與 γSγS、γLγL 之間存在某一確定的依賴關系,如:γSL = f(γS,γL)γSL = f(γS,γL)。那么接觸角的值與這些相互作用力之間的關系,可以表達為:
也就是說,接觸角的值與液體表面張力和固體表面能有關(上式中的 ff,gg 和 hh 均表示一定的函數/依賴關系)。當前者給定時,其值直接與固體表面能相關。所以測量所使用的液體也被稱為探針液體(probe),通過測量它在固體表面的接觸角值,可以用來探測固體表面的表面能值,也即固體表面的潤濕屬性,而這也正是接觸角測量之應用基礎。
接觸角值的測量目前有二種常用的方法:基于稱量的 Modified Wilhelmy Plate 方法和基于液面(liquid meniscus)形狀分析的光學法。前者屬于間接的方法,后者屬于直接方法。
接觸角的類型
接觸角可以分為兩種主要類型。
接觸角<90°:
當液滴或液體與固體表面的接觸角小于 90° 時,我們稱之為親水性(hydrophilic)。這意味著液體在固體表面上有較好的潤濕能力,液滴傾向于擴展并均勻分布在表面上。
接觸角>90°:
當接觸角大于 90° 時,我們稱之為疏水性(hydrophobic)。這表示液體不易在固體表面上潤濕,形成較為球狀的液滴,沿表面滾動或反彈。
接觸線<90°:
接觸線小于 90° 表示親液性(oleophilic),即液體有親油性,易于在固體表面上潤濕。
接觸線>90°:
接觸線大于 90° 表示疏油性(oleophobic),即液體不易與固體表面發生接觸。
影響因素
接觸角的大小受多種因素影響,包括表面張力、固體表面的化學性質、液體的表面張力和表面能等。一些材料可以經過特殊處理,使其具有特定的接觸角,這在應用中非常有用,例如在防水材料、抗粘附涂層、生物醫學器械等方面。
接觸角的應用
接觸角的應用非常**,幾乎涉及到我們生活的方方面面。比如我們希望汽車玻璃上不沾雨水、但反之我們希望汽車鋼板上的油漆**脫落;比如農藥和蔬菜葉面、涂料和內外墻面、絕緣油和絕緣材料、納米材料表面改性等等。從教學科研、工農業生產到日常生活,舉不勝舉。
接觸角測量儀
接觸角測量通常通過光學或圖像處理技術進行,其中觀察液滴在固體表面上的形狀,并根據一定的幾何關系計算接觸角。
01
粘附和涂層
粘附/涂層前預處理效果評判
在處理玻璃、金屬、聚合物(如粘合和涂覆時),材料的表面自由能和一些表面污染物會影響其粘合性,通常會對這些材料進行預處理,具有高表面自由能的固體(如金屬)通常更易于涂覆或粘合,對于具有低表面自由能的材料(特別是塑料),經常用電暈、等離子處理、火焰處理和化學處理等方法增加其表面自由能。接觸角測量儀可以判斷清洗結果和表面自由能的大小。
涂層效果評估
一些常見的涂層,如汽車擋風玻璃和眼鏡片等表面會鍍一層疏水膜層,還有一些工件需要親水性的涂層,利用接觸角測量儀可以判斷所鍍膜層的親疏水性能。
液體粘附性大小的測量
想要保證涂層不脫落,除了與工件表面的自由能有關,還與涂料的性能有很大關系,通常會在涂料中加入表面活性劑以降低涂料的表面自由能,接觸角測量儀可以通過對表面張力的測量評估表面活性劑的性能。
02
粉末的潤濕性
粉末接觸角測量是評估粉末潤濕性*常用的方法,接觸角大小可以直觀表征出粉末的潤濕性,為粉末后續應用提供重要參數。
粉末涂料
在粉末涂料的制備過程中,粉末顆粒需要均勻地分散在液體中,粉末潤濕性好可以使液體更好地浸潤,有助于液體在粉體中的滲透和擴散,提高涂層的附著力和穩定性。
制藥工程
在制藥工業中,部分藥物以粉末狀存在,粉末的潤濕性直接影響藥物的溶解性,關系到藥物的療效。
化學工業
在化學工業中,一些化學反應需要在粉末與液體之間進行,如果粉末的潤濕性差,會導致化學反應不均勻或不能進行,影響產物的質量和產量。
03
電子工業
晶圓的潔凈度
RCA 清洗是硅片加工前的標準清洗方法。水破裂實驗通常用于檢查清潔程序后的表面狀態。水接觸角的測量提供了一種可追溯和定量的方法來進行表征。
表征光刻膠的附著力
適當的光刻膠附著力對于成功的光刻工藝是至關重要的。硅片上的水接觸角通常是相當低的,因為表面從環境濕度中吸附了水。在脫水烘烤后,通常會涂覆疏水性 HMDS 涂層,使表面更加疏水而不易吸水。水接觸角的測量可以用來尋找*佳的 HMDS 處理方案,并檢查處理是否成功。
檢查 PCB 清潔度
由于助焊劑對PCB的有害影響,針對 PCB 有各種各樣的清潔測試,其中 ROSE 是*常使用的。水接觸角的測量為 ROSE 測試提供了一個很好的替代方案。水接觸角的測量是通過在 PCB 上放置一滴水來完成的。如果水珠凸起大(即接觸角大),表面不具有保形涂層。如果水擴散(即接觸角小),則表面沒有有機污染物,可以進行涂層。接觸角測量的優點是可以在非常小的區域進行。