浸润性与接触角

莲藕从淤泥中拔出比较干净、荷叶表面的水近似呈球状、水黾可以在水面行走、雨披可以防雨、农药溶液能散布于农作物表面等现象，与液体对固体表面的浸润（又称湿润，wetting）有关。引起浸润现象是源于分子间相互作用的表面张力，表面张力是界面上单位面积的自由能。如图1-1是液体在固体表面的静态湿润模型：

图1-1 静态接触角示意图

接触角θ指的是在气——液——固交界处（三重线，又称接触点）液——固交界面与气——液交界面的夹角，用于衡量浸润程度，其值越小则浸润性越好。假设不受限于分子直径，液体在固体表面无限铺展开，这称为完全浸润，此时θ=0°；液体与固体的接触面具有一定的面积且0°＜θ＜180°，则称为不完全浸润；如果θ=180°，则称为完全不浸润。一般定义θ<90°时，液体可以湿润（浸润）固体；θ＞90°时，液体不可以湿润固体。

水是最常见的液体，它的浸润情况与憎水性（hydrophobicity）对应，接触角越大时则表示憎水性越好。

● 当θ＜90°时通常称对应材料具有亲水性；

● 当θ>90°时通常称对应材料具有憎水性。

液体对固体的浸润作用一般可用黏附功来表征，它表示在真空中使单位面积的液体与固体的界面分离，留下裸固体表面所需的功，即

    （1-1）

式中：为黏附功：、分别为真空中固体、液体的表面张力：为液——固相的界面张力。

黏附功越大说明液体的浸润性越好。虽然黏附功可以准确表征没润性，但实际中，由于涉及固体的表面张力，准确测量难度高，以黏附功表征浸润性的做法难以实现。为了得到一个便于实际测量且能准确表征浸润性的量，经过推导发现黏附功与液体表面张力和接触角满足如下关系

（1-2）

式（1-2）称为 Young-Dupre 公式，它给出了黏附功与液体表面张力和接触角的关系。假设接触角为180°时，由式（1-2）可知黏附功为0，固液不存在吸引力，分离过程无需做功，液体完全不能浸润固体。

将式（1-1）带入式（1-2）得到式（1-3）

    （1-3）

式（1-3）称为 Young 方程，θ又称 Young接触角。