接觸角的定義

當(dāng)液滴自由地處于不受力場(chǎng)影響的空間時(shí)，由于界面張力的存在而呈圓球狀。但是，當(dāng)液滴與固體平面接觸時(shí)，其最終形狀取決于液滴內(nèi)部的內(nèi)聚力和液滴與固體間的粘附力的相對(duì)大小。當(dāng)一液滴置于固體平面上時(shí)，液滴能自動(dòng)地在固體表面鋪展開(kāi)來(lái)，或與固體表面成一定的角度而存在，如圖 1-1 所示 θ 角，我們稱之為接觸角，即在一固體水平平面上滴一液滴，固體表面上的固—液—氣三相交界點(diǎn)處，其氣—液界面和固—液界面兩切線把液相夾在其中所成的角，也稱浸潤(rùn)角或潤(rùn)濕角(WettingAngle)。用符號(hào) θ 表示，單位度(°)。

具體地說(shuō)，它是液體-氣體界面上的表面切線與固體-液體界面上的表面切線在相交處之間的角度。通過(guò)接觸角θ可以量化液體對(duì)固體表面的潤(rùn)濕性。接觸角可用來(lái)評(píng)價(jià)表面潤(rùn)濕性、處理工藝、潔凈度等參數(shù)。

圖 1-1 接觸角

應(yīng)用范圍

石油、化工、醫(yī)藥、造紙、涂料、農(nóng)藥、材料粘結(jié)劑、陶瓷、洗滌劑、高分子顏料、電線電纜、紡織、染料、建筑材料防水、浮法選礦、焊接、醫(yī)療衛(wèi)生等眾多領(lǐng)域。

應(yīng)用領(lǐng)域

1.1. 在潤(rùn)滑油的特性標(biāo)定中，檢驗(yàn)各中重油、潤(rùn)滑油的黏附及潤(rùn)濕關(guān)系。

1.2. 在印刷行業(yè)中，檢驗(yàn)印刷油墨、金屬、紙張之間的付著、黏結(jié)潤(rùn)濕關(guān)系。

1.3. 在建筑防水工作中，檢驗(yàn)經(jīng)硅酸樹(shù)脂處理的紡織物的防水性能。

1.4. 在浮選工作中，檢驗(yàn)用沸騰法選擇礦物微粒在油水混合物中沾化吸附能力。

1.5. 在搪瓷工業(yè)中，檢驗(yàn)溶化的硅化物對(duì)金屬表面的粘化附著力。

1.6. 在活性試劑表面特性測(cè)定中，檢查液體試劑的滲透、生銹特性。

1.7. 檢驗(yàn)金屬表面的脫脂，清潔，老化，親水等情況及薄膜表面上的吸附特性。

1.8. 在軍事科學(xué)研究中，檢驗(yàn)發(fā)射出的彈皮與空氣中雨霧的附著、潤(rùn)濕特性。

國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

1.1. GB/T 24368-2009(玻璃表面疏水污染物檢測(cè)).

1.2 .SY/T5153-2007(油藏巖石潤(rùn)濕性測(cè)定方法).

1.3. ASTM D 724-99(2003)(紙的表面可濕性的試驗(yàn)方法).

1.4 .ASTM D5946-2004(塑料薄膜與水水滴角度的測(cè)量).

1.5. SO15989(塑料薄膜和薄板電暈處理薄膜的水水滴角度的測(cè)量).

接觸角的測(cè)量方法

目前廣泛的接觸角測(cè)量方法是外形圖像處理法，即將液滴滴于固體樣品表面，通過(guò)顯微鏡或相機(jī)獲得液滴的外形圖像，然后運(yùn)用特定數(shù)學(xué)模型(如液滴可視為球、橢球或圓錐的一部分)通過(guò)特定的參數(shù)(如寬、高)擬合計(jì)算出接觸角。

座滴法(The static sessile drop method)，利用探測(cè)液滴測(cè)量待測(cè)表面液滴形狀而計(jì)算出接觸角的方法。將液滴滴在固體表面上，通過(guò)觀察液滴與固體表面的接觸情況來(lái)測(cè)量接觸角。可以使用顯微鏡或高分辨率相機(jī)來(lái)測(cè)量接觸角。

動(dòng)態(tài)靜滴法(The dynamic sessile drop method)，動(dòng)態(tài)靜滴類似于靜態(tài)靜滴，但需要對(duì)液滴進(jìn)行修改。常見(jiàn)的動(dòng)態(tài)靜滴研究類型確定最大接觸角，而不通過(guò)動(dòng)態(tài)增加體積來(lái)增加其固體-液體界面積。這個(gè)最大角度稱為前進(jìn)角。通過(guò)移除體積來(lái)產(chǎn)生可能的最小角度，即后退角。前進(jìn)角和后退角之間的差異是接觸角滯后現(xiàn)象。

懸滴法(The pendant drop method)，在一塊固體表面上懸掛液滴，通過(guò)改變固體表面的傾斜角度或者液滴的體積，觀察液滴的形態(tài)變化，從而計(jì)算接觸角。

停泡法(Captive Drop Method)，將固體放在液體上面，液體與固體間沒(méi)有空隙，用特制毛細(xì)管至下而上噴出氣泡，停在固體下表面，采集并分析浸入液體中氣泡在固體下表面的角度，也稱氣泡俘獲法或貼泡法。

力測(cè)量法(DynamicWilhelmy method)，采用表面張力儀中的稱重傳感器和專業(yè)分析軟件，測(cè)量固體與液體間的界面張力，再通過(guò)換算得出接觸角值。

1 接觸角概念

接觸角定義為在液體、氣體、固體三者交匯點(diǎn)位置，液體和氣體界面切線與液體和固體界面切線的夾角。根據(jù)接觸角定義，其取值范圍為 0° - 180°。

接觸角定義圖示

影響接觸角的因素較多，且有公式進(jìn)行計(jì)算。從CFD仿真角度簡(jiǎn)單理解，接觸角會(huì)隨著固體表面材料特性不同而改變，包括表面粗糙度。接觸角是邊界條件而非材料屬性。

接觸角測(cè)量?jī)x為測(cè)量接觸角的儀器。

接觸角測(cè)量

2 Fluent中的接觸角設(shè)置

2.1 設(shè)置接觸角

Fluent中支持接觸角設(shè)置的多相流模型有三個(gè)：VOF、混合物、歐拉。在多相流模型的相間作用機(jī)理中，需要勾選表面張力和壁面附著選項(xiàng)。

接觸角在邊界條件中設(shè)置，每個(gè)固體壁面均可設(shè)置接觸角數(shù)值，軟件默認(rèn)單位為度。

根據(jù)相的次序不同，其設(shè)置角度不同：

主相為氣體，副相為液體，則接觸角設(shè)置為實(shí)際值

主相為液體，副相為氣體，則接觸角設(shè)置為(180 - 實(shí)際值)

2.2 設(shè)置對(duì)比

采用四種設(shè)置進(jìn)行對(duì)比。截面的相體積分?jǐn)?shù)視圖中，藍(lán)色表示水，紅色表示空氣，白色區(qū)域?yàn)橄嘟缑妗?/span>

設(shè)置方案 1：主相為空氣，副相為水， 接觸角 45°

設(shè)置方案 2：主相為空氣，副相為水， 接觸角 135°

設(shè)置方案 3：主相為水，副相為空氣， 接觸角 135°

設(shè)置方案 4：主相為水，副相為空氣， 接觸角 45°

從結(jié)果對(duì)比可知，若相的次序調(diào)換，則接觸角設(shè)置需要調(diào)整，且調(diào)整前后的接觸角數(shù)值總和應(yīng)為180°。