接触角的测定实验报告

液-固界面接触角的测量实验报告一、实验目的1.了解液体在固体表面的润湿过程以及接触角的含义与应用。2.掌握用JC2000C1静滴接触角/界面张力测量仪测定接触角和表面张力的方法。二、实验原理润湿是自然界和生产过程中常见的现象。通常将固-气界面被固-液界面所取代的过程称为润湿。将液体滴在固体表面上，由于性质不同，有的会铺展开来，有的则粘附在表面上成为平凸透镜状，这种现象称为润湿作用。前者称为铺展润湿，后者称为粘附润湿。如水滴在干净玻璃板上可以产生铺展润湿。如果液体不粘附而保持椭球状，则称为不润湿。如汞滴到玻璃板上或水滴到防水布上的情况。此外，如果是能被液体润湿的固体完全浸入液体之中，则称为浸湿。上述各种类型示于图1。图1各种类型的润湿当液体与固体接触后，体系的自由能降低。因此，液体在固体上润湿程度的大小可用这一过程自由能降低的多少来衡量。在恒温恒压下，当一液滴放置在固体平面上时，液滴能自动地在固体表面铺展开来，或以与固体表面成一定接触角的液滴存在，如图2所示。图2接触角假定不同的界面间力可用作用在界面方向的界面张力来表示，则当液滴在固体平面上处于平衡位置时，这些界面张力在水平方向上的分力之和应等于零，这个平衡关系就是著名的Young方程，即γSG-γSL=γLG·cosθ(1)式中γSG，γLG，γSL分别为固-气、液-气和固-液界面张力；θ是在固、气、液三相交界处，自固体界面经液体内部到气液界面的夹角，称为接触角，在0o-180o之间。接触角是反应物质与液体润湿性关系的重要尺度。在恒温恒压下，粘附润湿、铺展润湿过程发生的热力学条件分别是：粘附润湿Wa=γSG-γSL+γLG≥0(2)铺展润湿S=γSG-γSL-γLG≥0(3)式中Wa，S分别为粘附润湿、铺展润湿过程的粘附功、铺展系数。若将(1)式代入公式(2)、(3)，得到下面结果：Wa=γSG+γLG－γSL=γLG(1+cosθ)(4)S=γSG-γSL-γLG=γLG(cosθ-1)(5)以上方程说明，只要测定了液体的表面张力和接触角，便可以计算出粘附功、铺展系数，进而可以据此来判断各种润湿现象。还可以看到，接触角的数据也能作为判别润湿情况的依据。通常把θ＝90°作为润湿与否的界限，当θ＞90°，调节摄像头到载物台的距离，使得图象最清晰。加入样品。可以通过旋转载物台右边的采样旋钮抽取液体，也可以用微量注射器压出液体。测接触角一般用0.6μL～1.0μL的样品量最佳。这时可以从活动图象中看到进样器下端出现一个清晰的小液滴。接样。旋转载物台底座的旋钮使得载物台慢慢上升，触碰悬挂在进样器下端的液滴后下降，使液滴留在固体平面上。冻结图象。点击界面右上角的冻结图象按钮将画面固定，再点击File菜单中的Saveas将图象保存在文件夹中。接样后要在20s（最好10s）内冻结图像。(6)量角法。点击量角法按钮，进入量角法主界面，按开始键，打开之前保存的图象。这时图象上出现一个由两直线交叉45度组成的测量尺，利用键盘上的Z、X、Q、A键即左、右、上、下键调节测量尺的位置：首先使测量尺与液滴边缘相切，然后下移测量尺使交叉点到液滴顶端，再利用键盘上<和>键即左旋和右旋键旋转测量尺，使其与液滴左端相交，即得到接触角的数值。另外，也可以使测量尺与液滴右端相交，此时应用180°减去所见的数值方为正确的接触角数据，最后求两者的平均值。量高法。点击量高法按钮，进入量高法主界面，按开始键，打开之前保存的图象。然后用鼠标左键顺次点击液滴的顶端和液滴的左、右两端与固体表面的交点。如果点击错误，可以点击鼠标右键，取消选定。(二)表面张力的测定开机。将仪器插上电源，打开电脑，双击桌面上的JC2000C1应用程序进入主界面。点击界面右上角的活动图象按钮，这时可以看到摄像头拍摄的载物台上的图象。调焦。将进样器或微量注射器固定在载物台上方，调整摄像头焦距到0.7倍，然后旋转摄像头底座后面的旋钮调节摄像头到载物台的距离，使得图象最清晰。加入样品。可以通过旋转载物台右边的采样旋钮抽取液体，也可以用微量注射器压出液体。测表面张力时样品量为液滴最大时。这时可以从活动图象中看到进样器下端出现一个清晰的大液泡。冻结图象。当液滴欲滴未滴时点击界面的冻结图象按钮，再点击File菜单中的Saveas将图象保存在文件夹中。(5)悬滴法。单击悬滴法按钮，进入悬滴法程序主界面，按开始按钮，打开图像文件。然后顺次在液泡左右两侧和底部用鼠标左键各取一点，随后在液泡顶部会出现一条横线与液泡两侧相交，然后再用鼠标左键在两个相交点处各取一点，这时会跳出一个对话框，输入密度差和放大因子后，即可测出表面张力值。注：密度差为液体样品和空气的密度之差；放大因子为图中针头最右端与最左端的横坐标之差再除以针头的直径所得的值。结果与讨论列表或作图表示所得实验结果。初步解释所得结果的原因表1水在不同固体表面的接触角的测量固体表面接触角θ(量角法)／°左右平均钢片83.584.584电池盖65.56665.75胶片81.582.582称量纸104104104长玻璃片464746.5石英片47.54747.25思考题1．液体在固体表面的接触角与哪些因素有关？答：a平衡时间；b体系温度；c接触角滞后，其中包括表面不均匀和表面不平；d吸附作用。2．在本实验中，滴到固体表面上的液滴的大小对所测接触角读数是否有影响？为什么？答：滴到固体表面上的液体大小对接触角读数无影响。因接触角只与两两界面（固-气、固-液、液-气）的表面张力有关，即杨氏方程：σs-g=σs-l+σg-l×cosθ而表面张力θ又只与物质的本性、温度和压力有关，所以液体大小对接触角读数无影响。3．实验中滴到固体表面上的液滴的平衡时间对接触角读数是否有影响？答:滴到固体表面上的液滴的平衡时间对接触角读数有影响,当体系未达平衡时，接触角会变化，这时的接触角称为动