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1、液-固界面接觸角的測量一、實驗目的1.了解液體在固體表面的潤濕過程以及接觸角的含義與應用。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
2、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，則稱為浸濕。上述各種類型示于圖1。圖1各種類型的潤濕當液體與固體接觸后，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等于零，這個平衡關系就
3、是著名的Young方程，即γSG-γSL=γLG·cosθ(1)5式中γSG，γLG，γSL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，自固體界面經液體內部到氣液界面的夾角，稱為接觸角，在0o-180o之間。接觸角是反應物質與液體潤濕性關系的重要尺度。在恒溫恒壓下，粘附潤濕、鋪展?jié)櫇襁^程發(fā)生的熱力學條件分別是：粘附潤濕Wa=γSG-γSL+γLG≥0(2)鋪展?jié)櫇馭=γSG-γSL-γLG≥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。若將(1)式代入公式(2)
4、、(3)，得到下面結果：Wa=γSG+γLG－γSL=γLG(1+cosθ)(4)S=γSG-γSL-γLG=γLG(cosθ-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，進而可以據此來判斷各種潤濕現(xiàn)象。還可以看到，接觸角的數據也能作為判別潤濕情況的依據。通常把θ＝90°作為潤濕與否的界限，當θ＞90°，稱為不潤濕，當θ＜90°時，稱為潤濕，θ越小潤濕性能越好；當θ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之一，
5、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，固體和液體的性質及雜質、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，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?？筛纳茲櫇裥再|，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在各界面上吸附
6、的結果。接觸角的測定方法很多，根據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，也是最直截了當的一類方法。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
7、，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）5十二烷基苯磺酸鈉水溶液的質量分數：0.01%，0.02%，0.03%，0.04%，0.05%，0.1%，0.15%，0.2%，0.25%四、實驗內容1．考察在載玻片上水滴的大?。w積）與所測接觸角讀數的關系，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
8、4．等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(質量分數)：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
