何为接触角及如何测量

接触角θ，能够量化表征某一液体对固体的润湿性。表面上单个液体的行为能够获得很多该固体的表面特性。

接触角最为明显的应用案例为涂料及表面处理领域。例如，如果涂料和表面间的接触角大，则导致流动性和涂覆均一性较差。接触角也用于判断表面处理是否成功，等离子处理广泛应用提供基体和涂层之间的粘附性，水与基体接触角低则表明表面处理成功。

实际上，液滴在表面的接触角如图1所示，接触角数值低，如小于90度，浸润性好，大于90度则浸润性差。当接触角为0度，这表明完全浸润。如果应用到表面的液体是水，则可分别用亲水和疏水表征。

该白皮书对于接触角理论和测量给出了实际指导，例如静态接触角、动态接触角和粗糙度修正接触角均与实际生活中的应用相结合来解释其概念。通过比较不同的测量方法，来帮助选择最佳表面测试方法。白皮书的结尾，也讨论接触角在特殊基体如纤维和粉末领域的测量应用。

接触角是固、液、气三相间形成的几何角度。三相接触点有三种力，如下图所示。

Γlv是液体表面张力，Γlv是固液间的界面张力，Γsv是固体表面张力，如表面自由能。

描述三相接触的杨氏方程如下所示：

界面张力Γlv，Γlv，Γsv与接触角形成等式，通常θr为接触角。杨氏方程假定表面为理想表面，这意味着表面平整，光滑，化学均一。进而假定体系是稳定的，如液体和基体不发生反应。而在现实生活中，理想表面是不存在的，所以需要前进角和后退角的测量。接触角测量中的表面粗糙度影响可以被修正。因此接触角可分为三类，静态接触角，动态接触角和粗糙度修正接触角。

静态接触角是在液滴滴到样品表面，三相界面固定时测试的接触角。静态接触角是最常测试的浸润性表征参数，最适合表征相对光滑和均一的表面，静态接触角也用于测定表面自由能（固体表面张力）。静态接触角能够快速、简单、准确表征表面浸润性，因此广泛应用于产品开发、从油品开发到涂料涂覆领域作为质控参数。静态接触角是基于杨氏理论进行测量的，假定界面张力热力学动态平衡。然而实际上，滴到固体表面上的液体存在亚稳状态，观测到的接触角与杨氏接触角并不相等。因为浸润现象并不仅仅是静态的，需要测定动态或粗糙度修正接触角来联合表征。

动态接触角和接触角的迟滞广泛应用于非均一表面特性的研究，由于近期对超疏水材料和自清洁材料的关注度增加，动态接触角和接触角的迟滞成为研究热点。超疏水材料的标准为静态接触角大于150度且接触角的迟滞小于10度。在超疏水材料和自清洁材料的研究中，由于需要液滴易滚落的要求，接触角迟滞测量至关重要。接触角迟滞在其他领域如水进入到有孔介质，涂料和固液表面吸附方面也有广泛应用。

接触角会受到粗糙度的影响，相同化学成分的表面，粗糙度不同，接触角的数值也会有明显的不同。上述两种浸润状态用Wenzel和Cassie-Baxter是可以被区分的。Cassie-Baxter如Fig3a所示，当整个表面被浸润，没有空气形成如图3b所示。

表面粗糙度和接触角的关系详见Wenzel方程。

接触角有两种测量方法即光学法和力学法。其中光学法可测定静态、动态和粗糙度修正接触角，而力学法测试仅能测试动态接触角。光学法包括座滴（静态接触角），针法，倾斜样品台（动态接触角）和半月面法。力学测量方法为板法。

光学法主要测试动态接触角和静态接触角，是接触角测定的最主要方法。通过测量同一样品不同位置的接触角可反映样品表面的均一性。而使用板法则不能完成上述测试，因为板法测试时样品是完全浸入到液体中的。从某些方面讲，板法测量要求样品两面都要保持均一。本文会重点介绍一下特殊样品的接触角测量，例如纤维样品和粉末样品，感兴趣的可以点击阅读原文进行了解。

本文提供可快速多样的接触角测量方法研究固体表面的浸润性。固体表面的浸润性与粘附和扩散现象相关，为很多领域提供多种表征参数。尽管静态接触角为最常测试指标，但前进角、后退角和粗糙度也越来越多的被使用。这些测量方法能够提供许多固体表面表征参数，使用哪一种方法测试，主要取决于样品状态。

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