接觸角的測定實驗報告

1、液-固界面接觸角的測量實驗報告一、實驗?zāi)康?. 了解液體在固體表面的潤濕過程以及接觸角的含義與應(yīng)用。2. 掌握用JC2000C1靜滴接觸角/界面張力測量儀測定接觸角和表面張力的方法。二、實驗原理潤濕是自然界和生產(chǎn)過程中常見的現(xiàn)象。通常將固-氣界面被固-液界面所取代的過程稱為潤濕。將液體滴在固體表面上，由于性質(zhì)不同，有的會鋪展開來，有的則粘附在表面上成為平凸透鏡狀，這種現(xiàn)象稱為潤濕作用。前者稱為鋪展?jié)櫇?，后者稱為粘附潤濕。如水滴在干凈玻璃板上可以產(chǎn)生鋪展?jié)櫇瘛Ｈ绻后w不粘附而保持橢球狀，則稱為不潤濕。如汞滴到玻璃板上或水滴到防水布上的情況。此外，如果是能被液體潤濕的固體完全浸入液體之中，則稱為浸

2、濕。上述各種類型示于圖1。圖1 各種類型的潤濕當(dāng)液體與固體接觸后，體系的自由能降低。因此，液體在固體上潤濕程度的大小可用這一過程自由能降低的多少來衡量。在恒溫恒壓下，當(dāng)一液滴放置在固體平面上時，液滴能自動地在固體表面鋪展開來，或以與固體表面成一定接觸角的液滴存在，如圖2所示。圖2 接觸角假定不同的界面間力可用作用在界面方向的界面張力來表示，則當(dāng)液滴在固體平面上處于平衡位置時，這些界面張力在水平方向上的分力之和應(yīng)等于零，這個平衡關(guān)系就是著名的Young方程，即SG - SL = LG·cos (1)式中SG，LG，SL分別為固-氣、液-氣和固-液界面張力；是在固、氣、液三相交界處，自固

3、體界面經(jīng)液體內(nèi)部到氣液界面的夾角，稱為接觸角，在0o-180o之間。接觸角是反應(yīng)物質(zhì)與液體潤濕性關(guān)系的重要尺度。在恒溫恒壓下，粘附潤濕、鋪展?jié)櫇襁^程發(fā)生的熱力學(xué)條件分別是：粘附潤濕 Wa = SG - SL + LG 0 (2)鋪展?jié)櫇?S = SG - SL - LG 0 (3)式中Wa，S分別為粘附潤濕、鋪展?jié)櫇襁^程的粘附功、鋪展系數(shù)。若將(1)式代入公式(2)、(3)，得到下面結(jié)果：Wa=SG+LGSL=LG(1+cos) (4)S=SG-SL-LG=LG(cos-1) (5)以上方程說明，只要測定了液體的表面張力和接觸角，便可以計算出粘附功、鋪展系數(shù)，進而可以據(jù)此來判斷各種潤濕現(xiàn)象。還

4、可以看到，接觸角的數(shù)據(jù)也能作為判別潤濕情況的依據(jù)。通常把90°作為潤濕與否的界限，當(dāng)90°，稱為不潤濕，當(dāng)90°時，稱為潤濕，越小潤濕性能越好；當(dāng)角等于零時，液體在固體表面上鋪展，固體被完全潤濕。接觸角是表征液體在固體表面潤濕性的重要參數(shù)之一，由它可了解液體在一定固體表面的潤濕程度。接觸角測定在礦物浮選、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，極性固體易為極性液體所潤濕，而非極性固體易為非極性液體所潤濕。玻璃是一種極性固體

5、，故易為水所潤濕。對于一定的固體表面，在液相中加入表面活性物質(zhì)?？筛纳茲櫇裥再|(zhì)，并且隨著液體和固體表面接觸時間的延長，接觸角有逐漸變小趨于定值的趨勢，這是由于表面活性物質(zhì)在各界面上吸附的結(jié)果。接觸角的測定方法很多，根據(jù)直接測定的物理量分為四大類：角度測量法、長度測量法、力測量法，透射測量法。其中，液滴角度測量法是最常用的，也是最直截了當(dāng)?shù)囊活惙椒?。它是在平整的固體表面上滴一滴小液滴，直接測量接觸角的大小。為此，可用低倍顯微鏡中裝有的量角器測量，也可將液滴圖像投影到屏幕上或拍攝圖像再用量角器測量，這類方法都無法避免人為作切線的誤差。本實驗所用的儀器JC2000C1靜滴接觸角/界面張力測量儀就可采

6、取量角法和量高法這兩種方法進行接觸角的測定。三、儀器與藥品儀器：JC2000C1界面張力測量儀，微量注射器，容量瓶，鑷子，玻璃載片，滌綸薄片，聚乙烯片，金屬片（不銹鋼、銅等）。試劑：蒸餾水，無水乙醇，十二烷基苯磺酸鈉（或十二烷基硫酸鈉）十二烷基苯磺酸鈉水溶液的質(zhì)量分數(shù)：0.01%，0.02%，0.03%，0.04%，0.05%，0.1%，0.15%，0.2%，0.25%四、實驗內(nèi)容1考察在載玻片上水滴的大?。w積）與所測接觸角讀數(shù)的關(guān)系，找出測量所需的最佳液滴大小。2考察水在不同固體表面上的接觸角。3等溫下醇類同系物（如甲醇、乙醇、異丙醇、正丁醇）在滌綸片和玻璃片上的接觸角和表面張力的測定4等

7、溫下不同濃度的乙醇溶液在滌綸片和玻璃片上的接觸角和表面張力的測定5等溫下不同濃度表面活性劑溶液在固體表面的接觸角和表面張力的測定液體：十二烷基苯磺酸鈉溶液濃度(質(zhì)量分數(shù))：0.01%, 0.02%, 0.03%, 0.04%, 0.05%, 0.1%, 0.15%, 0.2%, 0.25%6測濃度為0.1%十二烷基苯磺酸鈉水溶液液滴在滌綸片和載玻片表面上接觸角隨時間的變化。五、實驗步驟(一) 接觸角的測定(1) 開機。將儀器插上電源，打開電腦，雙擊桌面上的JC2000C1應(yīng)用程序進入主界面。點擊界面右上角的活動圖象按鈕，這時可以看到攝像頭拍攝的載物臺上的圖象。(2) 調(diào)焦。將進樣器或微量注射器

8、固定在載物臺上方，調(diào)整攝像頭焦距到0.7倍（測小液滴接觸角時通常調(diào)到2倍2.5倍），然后旋轉(zhuǎn)攝像頭底座后面的旋鈕調(diào)節(jié)攝像頭到載物臺的距離，使得圖象最清晰。(3) 加入樣品?？梢酝ㄟ^旋轉(zhuǎn)載物臺右邊的采樣旋鈕抽取液體，也可以用微量注射器壓出液體。測接觸角一般用0.6L1.0L的樣品量最佳。這時可以從活動圖象中看到進樣器下端出現(xiàn)一個清晰的小液滴。(4) 接樣。旋轉(zhuǎn)載物臺底座的旋鈕使得載物臺慢慢上升，觸碰懸掛在進樣器下端的液滴后下降，使液滴留在固體平面上。(5) 凍結(jié)圖象。點擊界面右上角的凍結(jié)圖象按鈕將畫面固定，再點擊File菜單中的Save as將圖象保存在文件夾中。接樣后要在20s（最好10 s）

9、內(nèi)凍結(jié)圖像。(6) 量角法。點擊量角法按鈕，進入量角法主界面，按開始鍵，打開之前保存的圖象。這時圖象上出現(xiàn)一個由兩直線交叉45度組成的測量尺，利用鍵盤上的Z、X、Q、A鍵即左、右、上、下鍵調(diào)節(jié)測量尺的位置：首先使測量尺與液滴邊緣相切，然后下移測量尺使交叉點到液滴頂端，再利用鍵盤上 < 和 > 鍵即左旋和右旋鍵旋轉(zhuǎn)測量尺，使其與液滴左端相交，即得到接觸角的數(shù)值。另外，也可以使測量尺與液滴右端相交，此時應(yīng)用180°減去所見的數(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。點擊量高法按鈕，進入量高法主界面，按開始鍵，打開之前保存的圖象。然后用鼠標(biāo)左鍵順次點擊液滴的

10、頂端和液滴的左、右兩端與固體表面的交點。如果點擊錯誤，可以點擊鼠標(biāo)右鍵，取消選定。(二) 表面張力的測定(1) 開機。將儀器插上電源，打開電腦，雙擊桌面上的JC2000C1應(yīng)用程序進入主界面。點擊界面右上角的活動圖象按鈕，這時可以看到攝像頭拍攝的載物臺上的圖象。(2) 調(diào)焦。將進樣器或微量注射器固定在載物臺上方，調(diào)整攝像頭焦距到0.7倍，然后旋轉(zhuǎn)攝像頭底座后面的旋鈕調(diào)節(jié)攝像頭到載物臺的距離，使得圖象最清晰。(3) 加入樣品?？梢酝ㄟ^旋轉(zhuǎn)載物臺右邊的采樣旋鈕抽取液體，也可以用微量注射器壓出液體。測表面張力時樣品量為液滴最大時。這時可以從活動圖象中看到進樣器下端出現(xiàn)一個清晰的大液泡。(4) 凍結(jié)圖

11、象。當(dāng)液滴欲滴未滴時點擊界面的凍結(jié)圖象按鈕，再點擊File菜單中的Save as將圖象保存在文件夾中。(5) 懸滴法。單擊懸滴法按鈕，進入懸滴法程序主界面，按開始按鈕，打開圖像文件。然后順次在液泡左右兩側(cè)和底部用鼠標(biāo)左鍵各取一點，隨后在液泡頂部會出現(xiàn)一條橫線與液泡兩側(cè)相交，然后再用鼠標(biāo)左鍵在兩個相交點處各取一點，這時會跳出一個對話框，輸入密度差和放大因子后，即可測出表面張力值。注：密度差為液體樣品和空氣的密度之差；放大因子為圖中針頭最右端與最左端的橫坐標(biāo)之差再除以針頭的直徑所得的值。6、 結(jié)果與討論列表或作圖表示所得實驗結(jié)果。初步解釋所得結(jié)果的原因表1 水在不同固體表面的接觸角的測量固體表面接

12、觸角 (量角法)°左右平均鋼片83.584.584電池蓋65.56665.75膠片81.582.582稱量紙104104104長玻璃片464746.5石英片47.54747.257、 思考題1液體在固體表面的接觸角與哪些因素有關(guān)？答：a平衡時間；b體系溫度；c接觸角滯后，其中包括表面不均勻和表面不平；d吸附作用。2在本實驗中，滴到固體表面上的液滴的大小對所測接觸角讀數(shù)是否有影響？為什么？答：滴到固體表面上的液體大小對接觸角讀數(shù)無影響。因接觸角只與兩兩界面（固-氣、固-液、液-氣）的表面張力有關(guān)，即楊氏方程：s-g=s-l + g-l × cos 而表面張力又只與物質(zhì)的本性、溫度和壓力有關(guān)，所以液體大小對接觸角讀數(shù)無影響。3實驗中滴到固體表面上的液滴的平衡時間對接觸角讀數(shù)是否有影響？答