什么是接觸角？
當(dāng)液滴自由地處于不受力場(chǎng)影響的空間時(shí)，由于界面張力的存在而呈圓球狀。但是當(dāng)液滴與固體平面接觸時(shí)，其最終形狀取決于液滴內(nèi)部的內(nèi)聚力和液滴與固體間的粘附力的相對(duì)大小。當(dāng)一液滴置于固體平面上時(shí)，液滴能自動(dòng)地在固體表面鋪展開(kāi)來(lái)，或與固體表面成一定的角度而存在，我們稱之為接觸角(ContactAngle)，即在一固體水平平面上滴一液滴，固體表面上的固—液—氣三相交界點(diǎn)處，其氣—液界面和固—液界面兩切線把液相夾在其中所成的角，也稱浸潤(rùn)角或潤(rùn)濕角(WettingAngle)。用符號(hào)θ表示，單位度(°)。
一液滴在水平固體表面上，當(dāng)固—液—氣三相達(dá)到熱力學(xué)平衡時(shí)，形成的接觸角與各界面張力之間符合楊氏方程(Young'sEquation)式：
γLG·COSθ=γSG-γSL(1)
(1)式中γLG、γSG、γSL分別為液—氣、固—氣和固—液的界面張力，θ為液體與固體間的界面和液體表面的切線所夾(包含液體)的角度，即接觸角。θ范圍在0～180°之間，是反應(yīng)液體與固體潤(rùn)濕性關(guān)系的重要尺度：
A.當(dāng)θ=0°，時(shí)為鋪展（完全潤(rùn)濕）
B.當(dāng)θ＜90°時(shí)為潤(rùn)濕（親水）
C.當(dāng)θ=90°時(shí)為潤(rùn)濕與否的分界標(biāo)準(zhǔn)
D.當(dāng)θ＞90°時(shí)為不潤(rùn)濕（疏水）
E.當(dāng)θ=180°時(shí)為完全不潤(rùn)濕（是不可能的理想狀態(tài)，因液體與固體間的相互吸引力總會(huì)存在）
接觸角因測(cè)試原理的不同大致可分為影像分析法、力測(cè)量法和滲透法3種：
影像分析法(外形圖像分析法)：通過(guò)攝像系統(tǒng)獲得液體在固體表面上的外形圖像，再運(yùn)用圖像處理技術(shù)和一系列計(jì)算方法將圖像中液體與固體的接觸角計(jì)算出來(lái)。是最常用和普遍的測(cè)試方法。
※影像分析法測(cè)量靜態(tài)接觸角的方法大致可分為停滴法、停泡法和插板法3種：
A.停滴法(SessileDropMethod)：從毛細(xì)管口處至上而下滴出一液滴停在固體上表面，采集并分析液滴在固體上表面的角度，也稱座滴法、靜滴法、躺滴法或液滴法；
B.停泡法(CaptiveDropMethod)：將固體放在液體上面，液體與固體間沒(méi)有空隙，用特制毛細(xì)管至下而上噴出氣泡，停在固體下表面，采集并分析浸入液體中氣泡在固體下表面的角度，也稱氣泡俘獲法或貼泡法；
C.插板法(InsertingPlateMethod)：將固體板插入液體中，通過(guò)改變固體板的插入角度，直至液面完全水平地達(dá)到固體的表面為止，采集并分析水平液面與固體板表面之間的夾角，也稱傾板法。因液體用量較多，且無(wú)法測(cè)出曲面、多點(diǎn)和大于90°的接觸角，所以應(yīng)用范圍較小。
影像分析法是目前應(yīng)用較廣泛的接觸角測(cè)量方法，其使用環(huán)境遠(yuǎn)高于力測(cè)量法，如可測(cè)試高溫條件下樣品的接觸角；適用于各種形狀的樣品分析，如斜面、凹凸面和不可切割的樣品等。但其所有測(cè)試均存在人為誤差，如人為判斷接觸角切線和水平線的誤差，即使是軟件自動(dòng)分析也會(huì)受限于測(cè)試區(qū)域內(nèi)的雜點(diǎn)干擾；測(cè)試前進(jìn)角和后退角過(guò)程中，不同液滴量的誤差也會(huì)導(dǎo)致接觸角值的誤差，相對(duì)于力測(cè)量法而言，這種缺陷是非常明顯的；且無(wú)法測(cè)試潤(rùn)濕性粉體的接觸角。
力測(cè)量法(稱重法)(DynamicWilhelmyMethod)：采用表面張力儀中的稱重傳感器和專業(yè)分析軟件，測(cè)量固體與液體間的界面張力，再通過(guò)換算得出接觸角值。
將一個(gè)固體樣品板浸入測(cè)試液體中，由于液體的表面張力以及固體的表面自由能的作用，稱重傳感器會(huì)感測(cè)到一個(gè)向下拉的力F，根據(jù)如下計(jì)算公式：
F=γLG·cosθ·P(1)
(1)式中P為板的周長(zhǎng)，因此只要測(cè)得力F的值，就可以看出接觸角θ值，當(dāng)然以上我們沒(méi)有考慮被測(cè)樣品的浮力。如果提升或降低樣品浸入的深度，就可以測(cè)得后退角或前進(jìn)角的值。
力測(cè)量法可通過(guò)不斷的升降板測(cè)得整個(gè)樣品的平均接觸角值；分析接觸角隨時(shí)間的變化而變化的動(dòng)態(tài)接觸角體系。但采用力測(cè)量法對(duì)于樣品材質(zhì)的均勻度和平整性要求較高；樣品要足夠小和輕，不能超過(guò)稱重傳感器的量程范圍，且周長(zhǎng)、高度等幾何參數(shù)要已知；要保證有足夠量的液體讓樣品侵入；受溫度影響較大，無(wú)法測(cè)試高溫條件下樣品的接觸角。
滲透法(透過(guò)測(cè)量法)(WashburnMethod)：主要用于測(cè)試粉體的接觸角。將粉體裝在一內(nèi)徑均勻的空心管中壓實(shí)，要求管底允許液體自由通過(guò)，但不允許粉體漏失。其粉體粒子間的間隙相當(dāng)于一束毛細(xì)管，當(dāng)管底接觸液面時(shí)，毛細(xì)作用會(huì)使可潤(rùn)濕粉體表面的液體透入粉體柱中。由于毛細(xì)作用取決于液體的表面張力和對(duì)固體的接觸角，所以可通過(guò)測(cè)試已知表面張力的液體在壓實(shí)粉體柱中的滲透性來(lái)測(cè)試粉體的接觸角，滲透性的測(cè)試方法包括透過(guò)高度法(又稱透過(guò)平衡法)和透過(guò)速度法兩種：
A.透過(guò)高度法：液面在毛細(xì)力的作用下會(huì)在粉體柱中上升，上升的最大高度h由下式?jīng)Q定：
h=-2·γ·cosθ/(ρ·g·r)(2)
(2)式中γ為液體表面張力、θ為接觸角、ρ為液體密度值、g為重力加速度、r為粉體柱的等效毛細(xì)管半徑。由于粉體柱r值無(wú)法直接測(cè)定，通常采用標(biāo)準(zhǔn)液體校正的辦法來(lái)解決，即用一個(gè)已知表面張力、密度和對(duì)所研究粉末接觸角為0的液體先測(cè)定其透過(guò)高度。通過(guò)計(jì)算此時(shí)的透過(guò)高度換算出r值。然后再用另一種液體測(cè)定，計(jì)算出接觸角值。
由于粉體柱的等效毛細(xì)半徑與其粒子大小、形狀及填裝緊密程度密切相關(guān)，故對(duì)樣品填裝方法的統(tǒng)一性十分重要，此外還需要足夠的平衡時(shí)間以保證達(dá)到毛細(xì)上升的最大值。
B.透過(guò)速度法：根據(jù)Washburn方程可知，若液體由于毛細(xì)作用滲入半徑為r的毛細(xì)管中，滲透過(guò)程中壓縮粉體柱中的氣體而引起的壓力差的平方△P2是時(shí)間t的函數(shù)，其方程為：
△P2=[(β·γ·cosθ)÷η]×t(3)
(3)式中β為與粉體柱本身性質(zhì)有關(guān)的參數(shù)、γ為液體表面張力、η為液體粘度；θ為潤(rùn)濕接觸角。作出ΔP2—t關(guān)系圖，將得到一條近似的線性直線，求出斜率K，得到：
K=(β·γ·cosθ)÷η(4)
從而可得：
θ=arcos(K·η)÷(β·γ)(5)
(5)式中η/γ僅與潤(rùn)濕液體的性質(zhì)有關(guān)，可以查表得到，K值也可以得到，關(guān)鍵是確定β值。一般用一種對(duì)樣品的潤(rùn)濕角為零度的液體，即用完美潤(rùn)濕液體(潤(rùn)濕性最好的液體，其相應(yīng)的接觸角為0°)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到相應(yīng)的β值，由它便可以測(cè)試出在同等實(shí)驗(yàn)條件下其它液體與該粉體的接觸角。
接觸角儀應(yīng)用：
噴霧、油漆、涂料和油墨等配方設(shè)計(jì)和潤(rùn)濕性分析；
印刷、鍍膜、電鍍和上漆等表面附著力檢測(cè)；
薄膜、織物、紙張等表面吸附/吸收過(guò)程分析；
玻璃、液晶屏、觸控屏等表面處理效果和清潔度檢測(cè)；
晶圓、封裝基板、LED、高精密部件等有機(jī)污染檢測(cè)；
親水鋁箔、巖芯、礦物、瀝青、絕緣子等潤(rùn)濕性行為分析；
偏光片、膠片、眼鏡片等表面潤(rùn)濕性和吸附性分析；
醫(yī)藥、食品、聚合物等表面競(jìng)爭(zhēng)、吸附和浸透性分析；
表面活性劑如化妝品、乳液、石油等分析與應(yīng)用；
清潔劑如肥皂、洗滌劑等表(界)面張力分析；
纖維、碳纖維、玻璃纖維和樹(shù)脂等表征分析；
納米材料與不同活性劑間濕潤(rùn)性的測(cè)定與研究；
粘貼劑與固體間的粘接程度研究與檢測(cè)；
清洗行業(yè)的清洗效果檢測(cè)。
