动态接触角张力仪.doc

动态接触角张力仪实验基本介绍润湿是一种流体取代界面上另一种流体的界面现象，通常是指液体从固体表面取代气体的过程1。润湿性在各领域应用都很广泛，在涂层镀膜、石油开采、矿物浮选、非均相沸腾和蒸汽冷凝、染整、胶片制造等技术中扮演着关键性角色。润湿过程涉及到固液的表面性质和分子间的相互作用。接触角是表征润湿性的重要指标。接触角是指将一滴水滴到一水平光滑的固体表面时，若液滴不完全润湿固体表面，固体表面上的固液气三相交界点处，气液界面和固液界面两切线把液相夹在其中时所形成的角。人们通过液滴形状观察法测量静态接触角。但润湿是一个动态的过程，液体在前进或后退时，接触角会发生变化，存在滞后现象。随着人们对接触角滞后性的研究，动态接触角的应用日益广泛。1863年Wilhelmy首次提出吊片法，经发展该技术已日趋成熟，成为广泛使用的测量动态接触角的方法。当一固体部分插入一液体时，液体会沿着固体的垂直壁上升(亲液)或下降(疏液)，Wilhelmy法就是测定液体对固体的拉力(推力)润湿力的方法来间接测定接触角。Wilhelmy技术一直为化学家用以研究气体液体固体界面的性能。此技术原理可靠，测量准确，近些年来技术逐步完善，并实现了微动力天平与电子技术的完美结合。CDCA-100F就是在这些情况下产生的一种测量单纤维表面接触角、表面能量以及其他多项性能指标的仪器。测量原理即为Wilhelmy原理。实验内容预习实验原理如图所示，当固体进入液体中时，固体表面受到三种力的作用：固体自身的重力，固体浸没部分的浮力，固体与液体的界面张力，如果固体的截面积为w*t (width x thickness)，浸没高度为h，则固体所受的力为：F固体=重力-浮力+界面张力=(rplwt)g - (rLh wt) g + 2(w+t) scos在仪器测试前天平会自动调节平衡，即消除被测样品重力的影响。则上面方程式可以表示为：F= - (rLhwt) g + 2(w+t) s cos 如果当浮力等于零时，则得出力F和的关系：F= 2(w+t) scos=Lcoss = F/L* cos 其中：假定被测物体的润湿长度为L=2(w+t)，浸入深度为h，F为润湿拉力，s为测试液体的表面张力。当固体与液体表面接触时，液体与固体表面形成的接触角为零，则表面张力为：s = F/L实验内容1 单纤维动态接触角测量（1）挑选没有弯曲的纤维，测量纤维直径。将纤维夹在仪器专用夹持器中间，露出纤维长度5mm，纤维与夹持器垂直，将夹持器插入仪器上方的插孔中。将测试液体倒入专用的玻璃皿中放入电机控制的平台上。（2）运行CDCA-100F工作软件，点击Contact-Angle (Wilhelmy Method)，设置工作参数： Stop At 测量前液体和纤维间的距离，一般5-10mm。 Approach Sample At 测量时液体与纤维相互接近的速度，一般为0.2mm/s。 Accept 液体与纤维接触时仪器测量到的重量，一般为10mg。 Immerse Sample At 纤维浸没速度。 Immerse Sample to 纤维浸没深度，一般为3mm。 Wait At Max Immersion 纤维在最深处停留时间，默认值为2seconds。 Withdraw Sample To 纤维离开液面的距离，默认值为-1mm。 Test-Liquid 测试液体种类及密度。然后点击界面右侧的Set Defaults输入纤维直径，点击Proceed进入测量界面。点击New，建立新的测量界面，点击Start 开始测量。仪器会先将纤维的重力清零，然后电机带动液体向上运动，与纤维接触，开始自动测量。测量中，纤维上每点处测得的接触角、润湿力等数值会在结果栏中动态显示。软件自动画出力-距离或接触角-距离曲线。2 表面张力测量（1）将被测液体倒入专用玻璃皿中2/3左右即可。将测试用的铂铱片在酒精灯上烧烤消毒去除杂质，冷却后插入仪器插孔内。（2）运行CDCA-100F工作软件，点击Surface Tension Using A Plate，设置工作参数： Stop At 测量前液体和铂铱片间的距离，一般5-10mm。 Approach Plate At 测量时液体与铂铱片相互接近的速度，一般为0.2mm/s。 Accept 液体与铂铱片接触时仪器测量到的重量，默认值为25mg。 Immerse Plate To 铂铱片浸没深度，一般为2mm。 Return To Surface At 铂铱片回到液体表面的速度。 Duration At Surface 铂铱片在液面停留时间，一般为60seconds。 Test-Liquid 测试液体种类及密度。然后点击界面右侧的Proceed进入测量界面。点击New，建立新的测量界面，点击Start 开始测量。仪器会先将铂铱片重力清零，然后电机带动液体向上运动，铂铱片进入液体，达到最深处后返回液体表面，并停留在表面，仪器开始自动测量。测量时表面张力等数值会在结果栏中动态显示。软件自动画出表面张力-时间曲线。3 吸湿性测量（1）将织物裁成1cm宽长度适当的条状，夹在夹持器中，将夹持器插入仪器上方的插孔中，织物与液面垂直。将测试液体倒入专用的玻璃皿中放入电机控制的平台上。（2）运行CDCA-100F工作软件，点击Adsorption (Porous Sample)，设置工作参数： Stop At 测量前液体和织物间的距离，一般5-10mm。 Approach Sample At 测量时液体与织物相互接近的速度，一般为0.2mm/s。 Accept 液体与织物接触时仪器测量到的重量，默认值为25mg。 Duration At Surface 织物在液面停留时间。 Test-Liquid 测试液体种类及密度。然后点击界面右侧的Proceed进入测量界面。点击New，建立新的测量界面，点击Start 开始测量。仪器会先将织物重力清零，然后电机带动液体向上运动与织物接触，开始测量。织物各时间的吸湿量等数值会在结果栏中动态显示。软件自动画出时间-重力曲线。实验仪器介绍CDCA-100F动态接触角张力仪主要部件：（1） 高精度天平：精度0.0001，高灵敏度，保证随时变化方向的力的测量。（2） 电机：带动平台升降，使被测物与液体产生相对运动，接近或远离。（3） 全电脑控制，将天平测量的重量值通过应用软件自动换算成接触角、表面张力等值，并绘制出曲线图。（4） 铂铱夹头：夹持纤维、织物等。（5） 铂铱片：测量液体表面张力。（6） 玻璃皿：盛放液体。（7） 酒精灯：对铂铱片去除杂质。图片展示动态接触角曲线图表面张力曲线图 吸湿性曲线图思考题及提示1 Wilhelmy方法的原理是什么？2 动态接触角与静态接触角的区别？3 测量表面张力的原理是什么？ 实验参考资料1 黄锋林,魏取福,徐文正.等离子处理对丙纶纤维表面接触角影响的研究.纺织学报J.2006,272 Srinivas R.Ranabothu,Cassandra Karnezis,Lenore L.Dai.Dynamic wettin