接觸角

接觸角

潤濕程度的量度
接觸角是指在氣、液、固三相交點處所作的氣-液界面的切線在液體一方與固-液交界線之間的夾角θ。[1]也是潤濕程度的量度,主要測量方法為外形圖像分析方法及稱重法。接觸角與礦物可浮性之間的關系式:接觸角愈大,cosθ值就愈小,其潤濕性愈弱,則可浮性愈好;反之,接觸角愈小,cosθ值就愈大,其潤濕性愈強,則可浮性愈差。接觸角太小會使滑動軸承壓強增加,嚴重時會使滑動軸承産生較大的變形,加速磨損,縮短使用壽命;接觸角太大,會影響油膜的形成,得不到良好的液體潤滑。
    中文名:接觸角 外文名:contact angle 别名: 定義:接觸物交界線之間的夾角θ 意義:潤濕程度的量度 楊氏公式:γsv = γsl + γlv×cosθ 測量方法:外形圖像分析方法及稱重法

特點

若θ<90°,則固體表面是親水性的,即液體較易潤濕固體,其角越小,表示潤濕性越好;若θ>90°,則固體表面是疏水性的,即液體不容易潤濕固體,容易在表面上移動。至于是否液體能進入毛細管,這個還與具體液體有關,并非所有液體在較大夾角下完全不進入毛細管。

潤濕過程與體系的界面張力有關。一滴液體落在水平固體表面上,當達到平衡時,形成的接觸角與各界面張力之間符合下面的楊氏公式(YoungEquation):

γ=γ+γ×cosθ

由它可以預測如下幾種潤濕情況:

1)當θ=0,完全潤濕;

2)當θ﹤90°,部分潤濕或潤濕;

3)當θ=90°,是潤濕與否的分界線;

4)當θ﹥90°,不潤濕;

5)當θ=180°,完全不潤濕。

毛細現象中液體上升、下降高度h。h的正負表示上升或下降。

浸潤液體上升,接觸角為銳角;不浸潤液體下降,接觸角為鈍角。

上升高度h=2*表面張力系數/(液體密度*重力加速度g*液面半徑R)。

上升高度h=2*表面張力系數*cos接觸角/(液體密度*重力加速度g*毛細管半徑r)。

潤濕性問題與采礦浮選、石油開采、紡織印染、農藥加工、感光膠片生産、油漆配方以及防水、洗滌等都有密切關系。

接觸角現有測試方法通常有兩種:其一為外形圖像分析方法;其二為稱重法。後者通常稱為潤濕天平或滲透法接觸角儀。但目前應用最廣泛,測值最直接與準确的還是外形圖像分析方法。

外形圖像分析法的原理為,将液滴滴于固體樣品表面,通過顯微鏡頭與相機獲得液滴的外形圖像,再運用數字圖像處理和一些算法将圖像中的液滴的接觸角計算出來。

計算接觸角的方法通常基于一特定的數學模型如液滴可被視為球或圓椎的一部分,然後通過測量特定的參數如寬/高或通過直接拟合來計算得出接觸角值。Young-Laplace方程描述了一封閉界面的内、外壓力差與界面的曲率和界面張力的關系,可用來準确地描述一軸對稱的液滴的外形輪廓,從而計算出其接觸角。

紙張的接觸角測量可參照TappiT558執行。

煙用紙張的接觸角可參照我國制煙行業的行業标準YC/T424-2011“煙用紙表面潤濕性能的測定接觸角法”執行。

其他

另外機械上常指軸承接觸角:

在球軸承中,球與内外圈溝道的接觸,一般各為一點。接觸點連線沿溝道法線并且通過球中心。外部負荷則沿着該直線,由一個套圈傳遞至另一個套圈,因此,人們稱之為軸承壓力線,并将壓力線與徑向平面之間的二面角稱為壓力角。

在滑動軸承中,是指軸頸與滑動軸承的接觸面所對的圓心角。接觸角不可太大也不可太小。接觸角太小會使滑動軸承壓強增加,嚴重時會使滑動軸承産生較大的變形,加速磨損,縮短使用壽命;接觸角太大,會影響油膜的形成,得不到良好的液體潤滑。試驗研究表明,滑動軸承接觸角的極限是120°。當滑動軸承磨損到這一接觸角時,液體潤滑就要破壞。

因此再不影響滑動軸承受壓條件的前提下,接觸角愈小愈好。從摩擦力距的理論分析,當接觸角為60°時,摩擦力矩最小,因此建議,對轉速高于500r/min的滑動軸承,接觸角采用60°,轉速低于500r/min的滑動軸承,接觸角可以采用90°,也可以采用60°。

由于其摩擦力矩小所以在工程建設中廣泛運用于防水分項工程,在防水分項工程底基層施工時,地面與牆面的接觸角通常做成R角形狀以達到防水的作用。

工業應用

任何兩相物體相接處時,接觸面的表面張力就表現為界面張力。

當氣體在水中固體表面附着并達到平衡時,任意兩相之間的界張力可以看出,當3個力達到平衡時,有如下的平衡方程式,即:

固氣=固液+液氣

式中,固氣、液氣和固液分别為固-氣、和固-液界面的表面張力(或表面自由能);為接觸角。這一平衡狀态方程式楊氏在1805年确定的,稱為楊氏方程。

上式表明,接觸角式三個相界面自由能的函數,它既與礦物表明性質有關,也與液相、氣相的界面性質有關。凡是恩能夠因其任何三相界面自由能改變的因素,都額可以影響礦物表面的潤濕性。

接觸角度量與礦物可浮性的關系。根據楊氏方程,由θ的大小,可以度量不同礦物潤濕程度的高低。當θ<90°,固氣>液氣,液滴被拉開,沿礦物表面展開,礦物表面被潤濕,表現為親水。

當θ>90°,固氣<液氣,液滴收縮,沿礦物表面聚集成珠狀,礦物表面不易被潤濕,表現為疏水。

θ=90°,cosθ=0,規定為疏水表面與親水表面的分界線。當θ=0,cosθ=1,固體被液體完全潤濕。

當θ=180°,cosθ=-1,液滴對固體完全不潤濕。

即接觸角愈大,cosθ愈小,其可浮性愈好。并且cosθ值介于-1~1之間,于是對礦物的潤濕性與可浮性的度量定義為

潤濕性=cosθ

可浮性=1-cosθ

接觸角與礦物可浮性之間的關系式:接觸角愈大,cosθ值就愈小,其潤濕性愈弱,則可浮性愈好;反之,接觸角愈小,cosθ值就愈大,其潤濕性愈強,則可浮性愈差。

礦物接觸角可以測得,下表列出了部分礦物的接觸角測定值,依據接觸角可大緻判斷各種礦物的天然可浮性。

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