1、1 绪绪 论论 1.1 研究目的和意义 本课题的研究目的在于讨论以往的研究者们利用光滑接触角具有稳恒特征的事 实以及触角的局部量特性来获取接触线附近的三相作用势， 以此为建立接触角的关系 式的一些实验方法。并进一步结合接触角滞后现象讨论界面张力与滞后角之间的关 系，找出作用域范围，并且了解他们利用其结论处理的一些表面粗糙度、表面多相化 学组分的问题。 通过探讨材料表面结构（分布方式，结构尺寸，表面粗糙度等） ，来了解材料表 面的润湿性，并得出材料表面自洁功能与表面结构的关系。润湿性（又称浸润性， Wettability）是固体表面的一个重要特征，影响固体表面润湿性的因素主要包括两个 方面：一是
2、组成固体表面物质的化学组成（即构成固体表面的都是有什么化学组分构 成的） ；二是固体表面的几何构形（如材料表面的粗糙程度） 。另外，外场如光、电、 磁、 热等对固体表面的润湿性也有很大的影响。 当固体表面自由能低时， 疏水性增强， 反之亲水性增强。 然而， 具有最低表面能的平滑固体表面与水的接触角最大只有 119 。 而表面自由能是材料固有的特征，当材料确定时，表面自由能也就确定。因此，为了 得到更好的亲水或疏水效果， 改变表面粗糙度以及表面尺寸从而改变材料表面的自由 能就变得尤为重要。 在现实生活中， 自清洁仿生材料有着广泛的应用。 例如， 在玻璃上涂上一层薄的、 透明的疏水自清洁仿生材料，
3、使这种玻璃可在雨水的作用下自清洁，而不留下任何痕 迹， 据此开发的仿生产品将具有广阔的市场前景； 还可以用它做成家庭花园桌椅贴面， 使桌椅面任凭风吹雨打仍旧清洁异新；此外，还可用于纺织、印刷、太阳能板、交通 标牌甚至房上瓦片；再者可以根据叶表面气孔的非光滑微结构，开发出各种自洁、透 光性好、无液滴的仿生自洁农膜，由此带来巨大的经济效益和社会效益。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 国内研究现状 宁乔等1，用照相机捕捉到的液滴灰度图像，运用牛顿-拉夫逊法、龙格-库塔法、 坐标轮换法等多种数值方法，对液滴的边界进行拟合，寻求最优的轮廓拟合点，分析 求取液滴的表面张力、 接触角、 体积等物理参数，
4、 这种方法在操作上减少了人为误差， 但需要大量的优化来推导出近似解。 王娟等2采用 Wilhelmy 吊片法测量剑麻纤维与水的接触角，通过剑麻纤维接触 角测试恒定段后退线与前进线的差值除去剑麻纤维中空结构芯吸液体的质量， 分析前 进角测试曲线计算前进接触角。 闵琪等3根据 Wilhelmy 吊片法原理测量了流体的表面张力及其在固体表面的动 态接触角，并与标准数据相比较，体现了较好的一致性。 李斌等人4在对聚丙烯表面 PNIPAAm接枝膜的温度响应性与表面特性研究时， 同时也发现了液滴在非交联型 PNIPAAm 接枝膜的接触角是随着时间的变化而下降 的，最终达到一定值，其中在 25时，非交联型
5、PNIPAAm接枝膜的聚丙烯表面的接 触角达到平衡的时间大约需要 100s。李斌认为这种引起这种变化的原因是水对接枝 层的润湿作用。 王新平等3对水在聚苯乙烯、聚丁二烯及聚苯乙烯聚丁二烯嵌段共聚物接触角进 行研究，同样也得到了相似的规律，但是发现了各聚合物表面的接触角达到平衡的时 间明显要比之前的研究学者的长，其中聚苯乙烯达到平衡的时间大概为 500s。通过 他们的研究， 他们找出了接触角对时间的依赖性的原因， 是因为在液体接触固体以后， 为了使体系界面能降低，聚合物中的亲水性组分移动到了聚合物的表面造成的。 1.2.2 国外研究现状 Bateni等5采用自动多项拟合算法APF(auto-ma
6、ted polynomial fit)测接触角， 这种方法与测角法相似，不需要流体性质的参数，而且APF法消除了由于操作者的不 同而引起的误差。Stalder6提出了Snake-based法来准确测定接触点和接触角的方法。 该方法在推导时没有对液滴的形状作出假设，因此它可以用于球形液滴，也可以用于 非轴对称液滴、倾斜基材上的液滴和投影后的液滴等的分析。Dingle7等采用有限元 法(finite element method FEM)处理液滴外形数据，测量接触角。 Yang等8借助计算机、照相机和图像处理器，采用一种测量的 /2 的值的方法， 通过对液体的密度和表面张力的校正来测量接触角。 实际中测量静态前进角和后退角 应用更多的是通过微量注射器往液滴中注入或抽出少量液体， 待达到平衡后测量接触 角(通常在加液和抽液后 10s 内)，重复上面程序，如果连续两次测量的角相同，即为 前进角或后退角。测量时注射器针尖应留在液滴内部，虽然这样会引起针尖附近发生 毛细现象以及整个表面的变形， 但不会改变接触角。 这是因为接触角由界面张力决定， 在
