實(shí)驗(yàn)2-5　苯丙乳液漆膜靜態(tài)接觸角的測(cè)定

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

1.了解潤(rùn)濕過(guò)程以及接觸角的含義與應(yīng)用。

2.掌握用靜滴接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)定接觸角的方法。

二、實(shí)驗(yàn)原理

苯丙乳液作為常見(jiàn)的建筑涂料，涂刷在物體表面可以在一定程度上起到防水、防污和防腐蝕的作用。苯丙乳液漆膜發(fā)揮上述作用很大程度上取決于漆膜的疏水性能，因此，苯丙乳液漆膜的疏水性或浸潤(rùn)性，是影響其使用的很重要的因素。

潤(rùn)濕是自然界和生產(chǎn)過(guò)程中常見(jiàn)的現(xiàn)象。通常將固-氣界面被固-液界面所取代的過(guò)程稱為潤(rùn)濕。將液體滴在固體表面上，由于液體性質(zhì)不同，有的會(huì)鋪展開(kāi)來(lái)，有的則黏附在表面上成為平凸透鏡狀，這種現(xiàn)象稱為潤(rùn)濕作用。前者稱為鋪展?jié)櫇瘢笳叻Q為黏附潤(rùn)濕。如水滴在干凈玻璃板上可以產(chǎn)生鋪展?jié)櫇瘛Ｈ绻后w不黏附而保持橢球狀，則稱為不潤(rùn)濕，如汞滴到玻璃板上或水滴到防水布上的情況。此外，如果是能被液體潤(rùn)濕的固體完全浸入液體之中，則稱為浸濕。

當(dāng)液體與固體接觸后，體系的自由能降低。因此，液體在固體上潤(rùn)濕程度的大小可用這一過(guò)程自由能降低的多少來(lái)衡量。在恒溫恒壓下，當(dāng)一液滴放置在固體平面上時(shí)，液滴能自動(dòng)地在固體表面鋪展開(kāi)來(lái)，或以與固體表面成一定接觸角的液滴存在，如圖2-2所示。

假定不同的界面間力可用作用在界面方向的界面張力來(lái)表示，則當(dāng)液滴在固體平面上處于平衡位置時(shí)，這些界面張力在水平方向上的分力之和應(yīng)等于零，這個(gè)平衡關(guān)系就是著名的Young方程，即

γ_SG- γ_SL= γ_LG·cosθ 　　（2-5）

式中，γ_SG，γ_LG，γ_SL分別為固-氣、液-氣和固-液界面張力；θ是在固、氣、液三相交界處，自固體界面經(jīng)液體內(nèi)部到氣液界面的夾角，稱為接觸角，在0°～180°之間。接觸角是反應(yīng)物質(zhì)與液體潤(rùn)濕性關(guān)系的重要尺度。

在恒溫恒壓下，黏附潤(rùn)濕、鋪展?jié)櫇襁^(guò)程發(fā)生的熱力學(xué)條件分別是：

黏附潤(rùn)濕

W_a=γ_SG- γ_SL+γ_LG≥0　　（2-6）

鋪展?jié)櫇?/p>

S=γ_SG-γ_SL-γ_LG≥0　　（2-7）

式中，W_a，S分別為黏附潤(rùn)濕、鋪展?jié)櫇襁^(guò)程的黏附功、鋪展系數(shù)。

若將式（2-5）代入式（2-6）、式（2-7），得到下面結(jié)果：

W_a=γ_SG+γ_LG-γ_SL=γ_LG（1+cosθ）　　（2-8）

S=γ_SG-γ_SL-γ_LG=γ_LG（cosθ-1）　　（2-9）

以上方程說(shuō)明，只要測(cè)定了液體的表面張力和接觸角，便可以計(jì)算出黏附功、鋪展系數(shù)，進(jìn)而可以據(jù)此來(lái)判斷各種潤(rùn)濕現(xiàn)象。接觸角的數(shù)據(jù)也能作為判別潤(rùn)濕情況的依據(jù)。通常把θ=90°作為潤(rùn)濕與否的界限，當(dāng)θ>90°，稱為不潤(rùn)濕；當(dāng)θ<90°時(shí)，稱為潤(rùn)濕，θ越小潤(rùn)濕性能越好；當(dāng)θ等于零時(shí)，液體在固體表面上鋪展，固體被完全潤(rùn)濕。

接觸角是表征液體在固體表面潤(rùn)濕性的重要參數(shù)之一，由它可了解液體在一定固體表面的潤(rùn)濕程度。接觸角測(cè)定在礦物浮選、注水采油、洗滌、印染、焊接等方面有廣泛的應(yīng)用。

決定和影響潤(rùn)濕作用和接觸角的因素很多。如固體和液體的性質(zhì)及雜質(zhì)、添加物的影響，固體表面的粗糙程度、不均勻性的影響，表面污染等。原則上說(shuō)，極性固體易為極性液體所潤(rùn)濕，而非極性固體易為非極性液體所潤(rùn)濕。玻璃是一種極性固體，故易為水所潤(rùn)濕。對(duì)于一定的固體表面，在液相中加入表面活性物質(zhì)常可改善潤(rùn)濕性質(zhì)，并且隨著液體和固體表面接觸時(shí)間的延長(zhǎng)，接觸角有逐漸變小、趨于定值的趨勢(shì)，這是由于表面活性物質(zhì)在各界面上吸附的結(jié)果。

接觸角的測(cè)定方法很多，根據(jù)直接測(cè)定的物理量分為四大類：角度測(cè)量法、長(zhǎng)度測(cè)量法、力測(cè)量法和透射測(cè)量法。其中，液滴角度測(cè)量法是最常用的，也是最直截了當(dāng)?shù)囊活惙椒āＫ窃谄秸墓腆w表面上滴一滴小液滴，直接測(cè)量接觸角的大小。為此，可用低倍顯微鏡中裝有的量角器測(cè)量，也可將液滴圖像投影到屏幕上或拍攝圖像再用量角器測(cè)量，這類方法都無(wú)法避免人為作切線的誤差。本實(shí)驗(yàn)所用的儀器靜滴接觸角測(cè)量?jī)x就可采取量角法和量高法這兩種方法進(jìn)行接觸角的測(cè)定。

三、實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)原料

1.實(shí)驗(yàn)儀器

靜滴接觸角測(cè)量?jī)x、微量注射器、容量瓶、鑷子、玻璃載片。

2.實(shí)驗(yàn)原料

苯丙乳液漆膜。

四、實(shí)驗(yàn)步驟

1.開(kāi)機(jī)。將儀器插上電源，打開(kāi)電腦，進(jìn)入應(yīng)用程序主界面。單擊界面右上角的活動(dòng)圖像按鈕，這時(shí)可以看到攝像頭拍攝的載物臺(tái)上的圖像。

2.調(diào)焦。將進(jìn)樣器或微量注射器固定在載物臺(tái)上方，調(diào)整攝像頭焦距到0.7倍（測(cè)小液滴接觸角時(shí)通常調(diào)到2～2.5倍），然后旋轉(zhuǎn)攝像頭底座后面的旋鈕調(diào)節(jié)攝像頭到載物臺(tái)的距離，使得圖像最清晰。

3.加入樣品。可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)載物臺(tái)右邊的采樣旋鈕抽取液體，也可以用微量注射器壓出液體。測(cè)接觸角一般用0.6～1.0μL的樣品量最佳。這時(shí)可以從活動(dòng)圖像中看到進(jìn)樣器下端出現(xiàn)一個(gè)清晰的小液滴。

4.接樣。旋轉(zhuǎn)載物臺(tái)底座的旋鈕使得載物臺(tái)慢慢上升，觸碰懸掛在進(jìn)樣器下端的液滴后下降，使液滴留在固體平面上。

5.凍結(jié)圖像。單擊界面右上角的“凍結(jié)圖像”按鈕將畫(huà)面固定，再單擊File菜單中的“Save as”將圖像保存在文件夾中。接樣后要在20s（最好10 s）內(nèi)凍結(jié)圖像。

6.量角法。點(diǎn)擊“量角法”按鈕，進(jìn)入量角法主界面，按“開(kāi)始”鍵，打開(kāi)之前保存的圖像。這時(shí)圖像上出現(xiàn)一個(gè)由兩直線交叉45°組成的測(cè)量尺，利用鍵盤(pán)上的Z、X、Q、A鍵即左、右、上、下鍵調(diào)節(jié)測(cè)量尺的位置：首先使測(cè)量尺與液滴邊緣相切，然后下移測(cè)量尺使交叉點(diǎn)到液滴頂端，再利用鍵盤(pán)上“<”和“>”鍵即左旋和右旋鍵旋轉(zhuǎn)測(cè)量尺，使其與液滴左端相交，即得到接觸角的數(shù)值。另外，也可以使測(cè)量尺與液滴右端相交，此時(shí)應(yīng)用180°減去所見(jiàn)的數(shù)值方為正確的接觸角數(shù)據(jù)，最后求兩者的平均值。

7.量高法。單擊“量高法”按鈕，進(jìn)入量高法主界面，按“開(kāi)始”鍵，打開(kāi)之前保存的圖像。然后用鼠標(biāo)左鍵順次單擊液滴的頂端和液滴的左、右兩端與固體表面的交點(diǎn)。如果單擊錯(cuò)誤，可以單擊鼠標(biāo)右鍵，取消選定。

五、思考與討論

1.液體在固體表面的接觸角與哪些因素有關(guān)？

2.在本實(shí)驗(yàn)中，滴到固體表面上的液滴的大小對(duì)所測(cè)接觸角讀數(shù)是否有影響？為什么？

3.實(shí)驗(yàn)中滴到固體表面上的液滴的平衡時(shí)間對(duì)接觸角讀數(shù)是否有影響？