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湿润通常是通过光学测角术观察液滴在表面上的行为来测量的。如果液滴扩散开来,则润湿良好,接触角较低。反之,润湿性差会导致高接触角或疏水条件。那么,都有哪些因素会影响湿润性呢?

表面能  固体表面自由能对润湿行为的影响是明显的。表面能低的聚合物,如聚四氟乙烯,很难粘接或打印或油漆。PTFE的表面能低于20 mN/m,而大多数粘接应用需要大于40 mN/m的表面能。随着表面能的增加,润湿性改善。一般来说,清洁过程和表面修饰寻求增加表面能量,从而提高粘附性。

表面张力 液体的表面张力影响其润湿性。例如,水具有相对较高的表面张力。根据杨氏方程,液体表面自由能是解释接触角的力之一。高表面张力的液体有更大的分子内聚力,这导致水滴成珠。如果你把一滴水和一滴油放在几乎任何表面上,你会看到水的接触角几乎总是大于油的接触角。假设两个液滴的固体表面能相同,唯一的区别就是液体表面自由能在水中更高。如果在液相中加入表面活性剂,表面张力会降低,润湿性会增加。

 

 

粗糙度 当测量任何具有粗糙度的表面(即几乎所有真实表面)的接触角时,我们实际测量的“表观接触角”如下图所示。然而,实际的或“杨氏接触角”更大。在亲水表面(即表观接触角在90°以下),接触角与粗糙度成反比关系。也就是说,随着粗糙度的增加,接触角减小。在疏水表面,观察到相反的行为:随着粗糙度的增加,接触角也增加。

 

污染性 被污染的表面会妨碍润湿。表面上的污染物位于水滴和表面之间,削弱附着力。清洁的表面能提供最佳的润湿性,接触角也会更低。在粘接应用中,清洁的表面总是首选的。例如,在制造用于半导体的硅片过程中,接触角是用来测试表面能量和相对清洁度的,因为即使是非常小的污染物痕迹也会导致与光刻胶的粘结不良,从而导致拒绝率增加。

表面改质 电晕处理、激光辐射和等离子体活化都是表面改性的例子。这些处理通过在固体表面沉积不同的官能团来改变固体表面的表面能。例如,电晕处理通过在表面沉积极性基团来氧化表面并增加表面能。改进的润湿性为随后的过程如涂覆、粘接和喷涂准备表面。但是要注意,很多表面的修饰会随着时间的推移而褪色。

环境因素 其次是环境因素。随着温度的升高,液相中的分子间作用力增大,表面张力减小,润湿性增大,接触角减小。另一方面,湿度会抑制潮湿;在大多数情况下,随着湿度的增加,接触角也会增加。

表面轮廓  非凸体和工程纳米拓扑结构可以诱导一种称为Cassie状态的状态,即无柄滴位于非凸体的顶部,如下图所示,从而产生非常高的接触角;这种超疏水状态在平面上是不可能的。自然界中存在超疏水表面。荷叶是著名的参考;荷叶上的水接触角一般在160°左右。相比之下,当水滴完全落在表面时——包括所有的角落和缝隙,它就会处于温泽尔状态。不同的数学建模方法对这两种不同的状态进行了解释。

 

化学均质性  当一个非纳米结构的表面(即显示温泽尔状态的表面)产生一个小的接触角滞后(前进和后退接触角之间的delta)时,该表面在化学上是均匀的。当在表面不同位置的多个接触角测量显示低标准偏差时,这也将指向高度的化学和结构同质性。

 


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