表面(mian)(mian)張力是固體表面(mian)(mian)重(zhong)要(yao)的(de)(de)物理化學參數之一，其大小與(yu)溫(wen)度和(he)界面(mian)(mian)兩相(xiang)物質(zhi)的(de)(de)性質(zhi)有關。基于Young方程的(de)(de)推導，使用(yong)接觸角測(ce)量法計算(suan)固體表面(mian)(mian)張力已被廣泛應用(yong)于表面(mian)(mian)科(ke)學和(he)工程領域。

表面張力

表(biao)(biao)(biao)面(mian)張力(li)(li)是液(ye)(ye)體表(biao)(biao)(biao)面(mian)層由于(yu)(yu)(yu)分(fen)子(zi)引(yin)力(li)(li)不(bu)均(jun)衡而產(chan)生的(de)(de)(de)(de)沿表(biao)(biao)(biao)面(mian)作用于(yu)(yu)(yu)任一界線上(shang)(shang)的(de)(de)(de)(de)張力(li)(li)。通常，由于(yu)(yu)(yu)環境不(bu)同，處于(yu)(yu)(yu)界面(mian)的(de)(de)(de)(de)分(fen)子(zi)與處于(yu)(yu)(yu)相本體內(nei)的(de)(de)(de)(de)分(fen)子(zi)所(suo)受力(li)(li)是不(bu)同的(de)(de)(de)(de)。上(shang)(shang)層空間氣相分(fen)子(zi)對液(ye)(ye)體的(de)(de)(de)(de)吸(xi)引(yin)力(li)(li)小(xiao)于(yu)(yu)(yu)內(nei)部(bu)液(ye)(ye)相分(fen)子(zi)對它的(de)(de)(de)(de)吸(xi)引(yin)力(li)(li)，所(suo)以該分(fen)子(zi)所(suo)受合力(li)(li)不(bu)等于(yu)(yu)(yu)零，其(qi)合力(li)(li)方向垂(chui)直(zhi)指向液(ye)(ye)體內(nei)部(bu)，結果導致液(ye)(ye)體表(biao)(biao)(biao)面(mian)具有自(zi)動縮小(xiao)的(de)(de)(de)(de)趨(qu)勢，這種(zhong)收縮力(li)(li)稱(cheng)為表(biao)(biao)(biao)面(mian)張力(li)(li)。表(biao)(biao)(biao)面(mian)張力(li)(li)是物(wu)質(zhi)的(de)(de)(de)(de)特(te)性，其(qi)大小(xiao)與溫度和界面(mian)兩相物(wu)質(zhi)的(de)(de)(de)(de)性質(zhi)有關。

固體(ti)的(de)表面(mian)張力(li)(li)不宜測得(de)，通常是(shi)用液體(ti)在固體(ti)表面(mian)上的(de)接觸(chu)(chu)角的(de)大小來計算。接觸(chu)(chu)角法操(cao)作(zuo)簡單，應用廣泛(fan)，是(shi)目前估算表面(mian)張力(li)(li)最常用的(de)方(fang)法。

接(jie)觸(chu)角和Young方程

將(jiang)少量(liang)液體滴(di)(di)在(zai)固(gu)體表面(mian)，液體可能形(xing)成液滴(di)(di)，在(zai)達到平衡時，處(chu)于固(gu)體表面(mian)上的(de)液滴(di)(di)會保持(chi)一定的(de)液體形(xing)狀，這是(shi)體系在(zai)三個界面(mian)張力平衡作用下的(de)結果。接觸角(jiao)是(shi)指在(zai)氣、液、固(gu)三相(xiang)交點處(chu)所作的(de)氣-液界面(mian)的(de)切線穿過(guo)液體與(yu)固(gu)-液交界線之(zhi)間的(de)夾角(jiao)θ，是(shi)潤(run)濕程度(du)的(de)量(liang)度(du)。如圖1所示(shi)。

固-氣(qi)、液-固、液-氣(qi)這三(san)個界面張(zhang)力(li)的平衡關系(xi)可以用Young方(fang)程表達：

γSG=γLGcosθ+γSL(1)

式中，γSG、γSL和γLG分別(bie)表(biao)示固-氣、液-固、液-氣界面張力，θ為接觸角。

圖1液(ye)體(ti)在固體(ti)表(biao)面(mian)的接觸角(jiao)

Young方程中的(de)接(jie)觸(chu)角是(shi)(shi)在(zai)假定(ding)固(gu)(gu)體(ti)表面(mian)(mian)(mian)光(guang)滑、化學均質、剛性、各向同性且無(wu)化學反應，并且認為(wei)三相(xiang)接(jie)觸(chu)線上的(de)線張(zhang)力(li)(li)可以忽(hu)略不(bu)(bu)計(ji)的(de)理想狀態下的(de)接(jie)觸(chu)角。但在(zai)實(shi)際(ji)的(de)固(gu)(gu)體(ti)表面(mian)(mian)(mian)，通(tong)(tong)常測量得到的(de)接(jie)觸(chu)角的(de)值是(shi)(shi)在(zai)一(yi)個范(fan)圍內，并不(bu)(bu)是(shi)(shi)唯一(yi)的(de)值。在(zai)分析總結前人研(yan)究(jiu)的(de)基(ji)礎上，推導出計(ji)算固(gu)(gu)體(ti)表面(mian)(mian)(mian)張(zhang)力(li)(li)的(de)新方法。通(tong)(tong)過建立(li)有限液(ye)-固(gu)(gu)界(jie)面(mian)(mian)(mian)體(ti)系(xi)(xi)的(de)張(zhang)力(li)(li)平衡，推導出在(zai)無(wu)限液(ye)-固(gu)(gu)界(jie)面(mian)(mian)(mian)系(xi)(xi)統(tong)中，液(ye)-固(gu)(gu)界(jie)面(mian)(mian)(mian)張(zhang)力(li)(li)和固(gu)(gu)相(xiang)表面(mian)(mian)(mian)張(zhang)力(li)(li)的(de)關系(xi)(xi)式：

(0<θ≤180°)(2)

(0<θ≤180°)(3)

式(2)、(3)表(biao)(biao)(biao)明γSG、γSL僅是液(ye)相(xiang)表(biao)(biao)(biao)面張力γLG和(he)接觸角θ的(de)函(han)數(shu)，只要知道一種液(ye)體的(de)γLG和(he)這一液(ye)體在固(gu)相(xiang)表(biao)(biao)(biao)面的(de)接觸角θ就可以計算(suan)得到γSG(固(gu)-氣界面張力)。