【摘要】 测量液体表面张力和接触角通常采用传统的Wilhelmy plate和毛细管法。

界面现象在自然界中是普遍存在的，其中很多都与液体表面张力和接触角有关。当将固体板放入液体中时，液体表面会发生变形，形成弯曲的液体表面，液体与固体板之间的接触角有限。液体表面张力和接触角的测量在许多应用科学和工程领域具有重要意义，如原油开采、宝石鉴定、金属铸造和航天器推进剂管理装置的设计。

 

测量液体表面张力和接触角通常采用传统的Wilhelmy plate和毛细管法。在某些情况下，需要测量由于润湿作用而形成的液体表面形状1。这些传统的液体表面测量方法不能很好地同时测量液体表面张力、接触角和液体形状。

 

光学测量被广泛应用于许多研究领域，包括液体表面和接触角的测量。有人用光衍射法测量了液体表面张力波和液体表面张力。低频液体表面张力波需要提前形成，不能测量接触角。采用光反射法测量表面形状。在事先知道液体表面张力的情况下，也可以采用光反射法检测液体表面形状或接触角。采用光学映射法研究接触角随热蒸发控制的银纳米颗粒尺寸变化的函数变化。

 

该方法通过允许在大面积或大量样品上快速测量接触角，实现了纳米级表征和工业监测以及化学分析。在这项工作中，Luo等人2提出了一种有效且相对简单的光反射方法来同时测量液体表面张力、接触角和液体表面形状。从理论上推导了光反射场的分布与液面形状的对应关系，并通过实验观察了由于润湿作用导致的弯曲液面反射分布。在反射图案中发现了一个中央暗区。暗场的宽度与入射光束的宽度和曲线液面上的入射光斑有关。

 

无论液体是无色还是有色，都可以根据暗场图案同时测量表面张力、接触角和液体表面形状。当固体板与液体呈角度接触时，液体表面根据界面张力向上或向下，并沿固体表面的直线终止。图1为弯曲液面示意图，曲线AB为系统在通过x轴的垂直平面上的截面。由于曲面左右两侧的反射规律相似，我们只分析右侧曲线液体表面的光反射。如图2所示，时延为边界射线在曲面上入射点的切线与水平面的夹角。

图1 板材两侧的弯曲液面。

 

图2 液体表面的边界光反射示意图。

 

采用光纤法布里-珀罗传感器研究液体表面张力，并显示润湿过程。利用光学相干层析成像技术对基底上的液滴进行三维结构成像，在不与样品接触的情况下提供微米分辨率的图像，并获得接触角。在某些情况下，有必要同时测量接触角和表面张力。例如，在研究表面活性物质的吸附对固-液和液-气界面张力的影响时，或者在研究熔融合金-陶瓷基体体系中粘附功的测量时。基于光学成像法，有人同时测量液体表面张力和接触角，这种方法主要关注的是算法方法，如轴对称水滴形状分析。光学法具有非接触性和快速的特点，可以同时测量液体表面张力、接触角和液体表面形状。

 

1.Iglauer, S.;  Salamah, A.;  Sarmadivaleh, M.;  Liu, K.; Phan, C., Contamination of silica surfaces: Impact on water–CO2–quartz and glass contact angle measurements. Int. J. Greenhouse Gas Control 2014, 22, 325-328.

2.Luo, D.;  Qian, L.;  Dong, L.;  Shao, P.;  Yue, Z.;  Wang, J.;  Shi, B.;  Wu, S.; Qin, Y., Simultaneous measurement of liquid surface tension and contact angle by light reflection. Opt. Express 2019, 27 （12）, 16703-16712.

 

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