廣義的潤(rùn)濕是指表面上一種流體被另一種流體取代的過程。在通常情況下潤(rùn)濕是指在固 體表面上空氣被水或其他液體取代的過程。為了評(píng)價(jià)材料表面的潤(rùn)濕性，我們可以采用測(cè)量 液體在固體材料表面上接觸角的方法。 

      在材料表面上附著的液滴會(huì)呈現(xiàn)出一定形狀，這個(gè)形狀取決于固體-液體-氣體各界面之 間的張力平衡。1805 年 Thomas Young 首先提出了一個(gè)方程描述這個(gè)平衡態(tài)。

圖 1 Young 方程 

      就接觸角的數(shù)值而言，接觸角越小說明固體表面越容易被液體潤(rùn)濕，接觸角越大說明固 體表面越難被液體潤(rùn)濕。 

      對(duì)于理想的固體表面，當(dāng)液滴在表面達(dá)到力學(xué)平衡后，只有一個(gè)符合 Young 方程的接觸角值。然而，實(shí)際上材料表面都是非理想的，材料表面會(huì)有一定的粗糙度，材料表面的化學(xué)性質(zhì)不均一甚至被污染，所以必然會(huì)出現(xiàn)接觸角滯后的現(xiàn)象。所謂接觸角滯后就是指液滴在 潤(rùn)濕材料表面的過程中，所呈現(xiàn)出的接觸角不斷變化的現(xiàn)象。在真實(shí)條件下測(cè)量出的接觸角 值總是在處于最大前進(jìn)角和最小后退角之間的一個(gè)數(shù)值。

      由于以上提到的原因，我們知道接觸角的測(cè)量結(jié)果是和液滴形成的過程直接相關(guān)的，液 滴形狀大小的變化和三相接觸線的運(yùn)動(dòng)會(huì)直接反應(yīng)到前進(jìn)角和后退角的測(cè)量結(jié)果上。在某些 材料表面上測(cè)量前進(jìn)角和后退角的差值甚至達(dá)到 90°以上。測(cè)量動(dòng)態(tài)接觸角能夠定量的描 述接觸角滯后的現(xiàn)象，為液體在實(shí)際材料表面上的潤(rùn)濕研究提供了有力的方法。 

      在接觸角測(cè)量的專業(yè)領(lǐng)域，大家普遍認(rèn)為單純測(cè)量靜態(tài)接觸角不足以表征材料表面的潤(rùn)濕特性，只有通過測(cè)量包括前進(jìn)接觸角和后退接觸角值在內(nèi)的動(dòng)態(tài)接觸角才能為表征待測(cè)體 系的潤(rùn)濕特性提供更完整的信息。測(cè)量實(shí)際材料表面上的接觸角也比估算理想表面上的接觸角更有意義。

      目前使用光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)量動(dòng)態(tài)接觸角的方法有傾斜臺(tái)法、離心轉(zhuǎn)臺(tái)法和加液/減 液法三種。

      第一種方法是傾斜臺(tái)法又稱斜板法。實(shí)驗(yàn)是將一個(gè)液滴置于待測(cè)的樣品表面后，利用傾 斜臺(tái)緩慢地傾斜樣品表面，同時(shí)跟蹤并記錄液滴形狀、接觸角和位置的變化。傾斜剛開始時(shí) 液滴不一定發(fā)生移動(dòng)，但是形狀會(huì)開始發(fā)生變化，使得下方的接觸角不斷地增大，而上方的 接觸角則不斷地變小，當(dāng)表面傾斜到一定角度時(shí)，液滴開始發(fā)生滾動(dòng)或滑動(dòng)，此時(shí)液滴下方 三相接觸點(diǎn)發(fā)生運(yùn)動(dòng)之前對(duì)應(yīng)的接觸角就是最大前進(jìn)角，而液滴上方三相接觸點(diǎn)發(fā)生運(yùn)動(dòng)之 前對(duì)應(yīng)的接觸角就是最小后退角。當(dāng)液滴整體剛剛開始發(fā)生滾動(dòng)（滑動(dòng)）時(shí)的表面傾斜角， 就叫滾動(dòng)角（滑動(dòng)角）。

圖 2 傾斜臺(tái)法測(cè)量動(dòng)態(tài)接觸角和滾動(dòng)角 

      使用傾斜臺(tái)法測(cè)量動(dòng)態(tài)接觸角的特點(diǎn)是不僅能測(cè)量到前進(jìn)角和后退角變化的全過程，而 且能得到液滴在材料表面上的滾動(dòng)角。

      第二種方法是離心旋轉(zhuǎn)臺(tái)法又稱滯留力天平法，實(shí)驗(yàn)是將一個(gè)液滴置于待測(cè)的樣品表面 后，利用離心旋轉(zhuǎn)臺(tái)使液滴沿著圓周轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)跟蹤并記錄液滴形狀、接觸角和位置的變化。 隨著轉(zhuǎn)速的不斷增加，液滴整體受到的離心力越來越大，液滴開始發(fā)生形狀變化，并且順著 旋轉(zhuǎn)半徑的方向在材料表面上滑動(dòng)的趨勢(shì)越來越明顯，直到發(fā)生滑動(dòng)。在形狀變化過程中外 側(cè)的接觸角不斷地增大，而內(nèi)側(cè)的接觸角則不斷地變小，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到一個(gè)臨界值時(shí)，液滴開 始發(fā)生整體滑動(dòng)，此時(shí)液滴外側(cè)三相接觸點(diǎn)發(fā)生運(yùn)動(dòng)之前對(duì)應(yīng)的接觸角就是最大前進(jìn)角，而 液滴內(nèi)側(cè)三相接觸點(diǎn)發(fā)生運(yùn)動(dòng)前對(duì)應(yīng)的接觸角就是最小后退角。根據(jù)液滴體積、轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn) 半徑計(jì)算得到的離心力就等于液滴在材料表面上的滯留力。

上圖從左至右轉(zhuǎn)速和離心力逐漸增加

圖 3 離心轉(zhuǎn)臺(tái)法測(cè)量動(dòng)態(tài)接觸角 

使用離心轉(zhuǎn)臺(tái)法測(cè)量動(dòng)態(tài)接觸角的特點(diǎn)是不僅能測(cè)量到前進(jìn)角和后退角變化的全過程，而且能得到液滴在材料表面上的滯留力。這個(gè)方法不僅適用于疏水材料也適用于親水材料。 

      第三種方法是加液-減液法又稱注液-吸液法，實(shí)驗(yàn)是將一個(gè)液滴置于待測(cè)的樣品表面后， 把注射針插入液滴內(nèi)部，緩慢的注射液體使液滴體積增大到一定數(shù)值，之后再緩慢的回吸液 體使液滴體積減小到一定數(shù)值，同時(shí)跟蹤并記錄液滴形狀、接觸角和位置的變化。在液體注 射和回吸過程中兩側(cè)的接觸角不斷地變化，三線接觸點(diǎn)同時(shí)發(fā)生移動(dòng)。如果液體注射和回吸 的速度足夠緩慢，三相接觸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)接近一個(gè)亞平衡狀態(tài)，過程中可以得到最大前進(jìn)角和最小后退角。

圖 4 加液-減液法測(cè)量動(dòng)態(tài)接觸角 

      使用加液-減液法測(cè)量動(dòng)態(tài)接觸角的特點(diǎn)是能測(cè)量到前進(jìn)角和后退角變化的全過程，而 且不需要額外的特殊附件，投資較低。缺點(diǎn)是液滴形狀會(huì)受到注射針的影響而導(dǎo)致接觸角計(jì)算的誤差。

（來源：北京東方德菲儀器有限公司）