表面張力是固體表面重要的物理化學(xué)參數(shù)之一，其大小與溫度和界面兩相物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)。基于Young方程的推導(dǎo)，使用接觸角測(cè)量法計(jì)算固體表面張力已被廣泛應(yīng)用于表面科學(xué)和工程領(lǐng)域。

表面張力

表面張力是液體表面層由于分子引力不均衡而產(chǎn)生的沿表面作用于任一界線(xiàn)上的張力。通常，由于環(huán)境不同，處于界面的分子與處于相本體內(nèi)的分子所受力是不同的。上層空間氣相分子對(duì)液體的吸引力小于內(nèi)部液相分子對(duì)它的吸引力，所以該分子所受合力不等于零，其合力方向垂直指向液體內(nèi)部，結(jié)果導(dǎo)致液體表面具有自動(dòng)縮小的趨勢(shì)，這種收縮力稱(chēng)為表面張力。表面張力是物質(zhì)的特性，其大小與溫度和界面兩相物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)。

固體的表面張力不宜測(cè)得，通常是用液體在固體表面上的接觸角的大小來(lái)計(jì)算。接觸角法操作簡(jiǎn)單，應(yīng)用廣泛，是目前估算表面張力最常用的方法。

接觸角和Young方程

將少量液體滴在固體表面，液體可能形成液滴，在達(dá)到平衡時(shí)，處于固體表面上的液滴會(huì)保持一定的液體形狀，這是體系在三個(gè)界面張力平衡作用下的結(jié)果。接觸角是指在氣、液、固三相交點(diǎn)處所作的氣-液界面的切線(xiàn)穿過(guò)液體與固-液交界線(xiàn)之間的夾角θ，是潤(rùn)濕程度的量度。如圖1所示。

固-氣、液-固、液-氣這三個(gè)界面張力的平衡關(guān)系可以用Young方程表達(dá)：

γSG=γLGcosθ+γSL(1)

式中，γSG、γSL和γLG分別表示固-氣、液-固、液-氣界面張力，θ為接觸角。

圖1液體在固體表面的接觸角

Young方程中的接觸角是在假定固體表面光滑、化學(xué)均質(zhì)、剛性、各向同性且無(wú)化學(xué)反應(yīng)，并且認(rèn)為三相接觸線(xiàn)上的線(xiàn)張力可以忽略不計(jì)的理想狀態(tài)下的接觸角。但在實(shí)際的固體表面，通常測(cè)量得到的接觸角的值是在一個(gè)范圍內(nèi)，并不是唯一的值。在分析總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出計(jì)算固體表面張力的新方法。通過(guò)建立有限液-固界面體系的張力平衡，推導(dǎo)出在無(wú)限液-固界面系統(tǒng)中，液-固界面張力和固相表面張力的關(guān)系式：

(0<θ≤180°)(2)

(0<θ≤180°)(3)

式(2)、(3)表明γSG、γSL僅是液相表面張力γLG和接觸角θ的函數(shù)，只要知道一種液體的γLG和這一液體在固相表面的接觸角θ就可以計(jì)算得到γSG(固-氣界面張力)。