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1、精选优质文档-倾情为你奉上 胶体与表面化学Colloid and Surface Chemistry 综 述 题 目 接 触 角 技 术 学 生 姓 名 所 在 学 院 化学化工学院 专业及班级 完 成 日 期 接触角技术摘要：接触角作为材料表面润湿性能的重要参数之一，通过测量接触角可以获得材料表面固-液、固-气界面相互作用的许多信息。本文首先探讨了接触角测量的理论依据、常用方法、Young方程的适用范围以及接触角滞后的影响因素，然后详细介绍了接触角测量技术所取得的最新研究成果。最后对接触角测量方法的发展进行阐述，总结了接触角测量技术在石油工业、浮选工业、医药材料、芯片检测、无毒低表面能防污材
2、料测试表征方面的应用，为扩大接触角测量技术在其它领域的应用提供一些启发。关键词：接触角，测量，应用0. 前言接触角是指在气、液、固交点处所作的气-液界面的切线穿过液体与固-液交界线之间的，是润湿程度的量度。润湿是自然界和生产过程中常见的现象。通常将固-气界面被固-液界面所取代的过程称为润湿。将液体滴在固体表面上，由于性质不同，有的会铺展开来，有的则粘附在表面上成为平凸透镜状，这种现象称为润湿作用。前者称为铺展润湿，后者称为粘附润湿。如水滴在干净玻璃板上可以产生铺展润湿。如果液体不粘附而保持椭球状，则称为不润湿。如汞滴到玻璃板上或水滴到防水布上的情况。此外，如果是能被液体润湿的固体完全浸入液体之
3、中，则称为浸湿。上述各种类型示于图1。图1 各种类型的润湿当液体与固体接触后，体系的自由能降低。因此，液体在固体上润湿程度的大小可用这一过程自由能降低的多少来衡量。在恒温恒压下，当一液滴放置在固体平面上时，液滴能自动地在固体表面铺展开来，或以与固体表面成一定接触角的液滴存在，如图2所示。图2 接触角假定不同的界面间力可以用作用在界面方向的界面张力来表示，则当液滴在固体平面上处于平衡位置时，这些界面张力在水平方向上的分力之和应等于零，这个平衡关系就是著名的Young方程，即SG - SL = LGcos (1)式中SG，LG，SL分别为固-气、液-气和固-液界面张力，是在固、气、液三相交界处自固
4、体界面经液体内部到气液界面的夹角，称为接触角，在0o-180o之间。接触角是反应物质与液体润湿性关系的重要尺度。在恒温恒压下，粘附润湿、铺展润湿过程发生的热力学条件分别是：粘附润湿 Wa = SG- SL + LG 0 (2)铺展润湿 S = SG - SL - LG 0 (3)式中Wa，S分别为粘附润湿、铺展润湿过程的粘附功、铺展系数。若将(1)式代入公式(2)、(3)，得到下面结果：Wa=SG+LG-SL=LG (1+cos) (4)S=SG-SL-LG=LG (cos-1) (5)以上方程说明，只要测定了液体的表面张力和接触角，便可以计算出粘附功、铺展系数，进而可以据此来判断各种润湿现象
5、。还可以看到，接触角的数据也能作为判别润湿情况的依据。通常把90作为润湿与否的界限，当90，称为不润湿；当90时，称为润湿，越小润湿性能越好；当角等于零时，液体在固体表面上铺展，固体被完全润湿。接触角是表征液体在固体表面润湿性的重要参数之一，由它可了解液体在一定固体表面的润湿程度。接触角测定在矿物浮选、注水采油、洗涤、印染、焊接等方面有广泛的应用1-3。决定和影响润湿作用和接触角的因素很多。如：固体和液体的性质及杂质、添加物的影响，固体表面的粗糙程度、不均匀性的影响，表面污染等。原则上说，极性固体易为极性液体所润湿，而非极性固体易为非极性液体所润湿。玻璃是一种极性固体，故易为水所润湿。对于一定
6、的固体表面，在液相中加入表面活性物质常可改善润湿性质，并且随着液体和固体表面接触时间的延长，接触角有逐渐变小趋于定值的趋势，这是由于表面活性物质在各界面上吸附的结果。接触角现有测试方法通常有两种：其一为外形图像分析方法；其二为称重法。后者通常称为润湿天平或渗透法接触角仪。但目前应用最广泛，测值最直接与准确的还是外形图像分析方法。外形图像分析法的原理为，将液滴滴于固体样品表面，通过显微镜头与相机获得液滴的外形图像，再运用和一些算法将图像中的液滴的接触角计算出来。计算接触角的方法通常基于特定的数学模型如液滴可被视为球或圆椎的一部分，然后通过测量特定的参数如宽/高或通过直接来计算得出接触角值。You
7、ng-Laplace方程描述了封闭界面的内、外压力差与界面的曲率和界面张力的关系，可用来准确地描述轴对称的液滴的外形轮廓，从而计算出其接触角。1. 理论背景液体与固体接触时的润湿情况有两种。第一种情况，液体完全润湿固体表面，即液-气(l-g)界面与固-液(s-l)界面之间的接触角为0；第二种情况，液体部分润湿固体表面，即液体在固体表面形成液滴，呈现非零接触角。如图3所示，对于此种情况的宏观液滴，三相界面张力满足Young方程：s,g = s,l + g,lcos式中界面张力，下标l，g和s 分别代表液相、气相和固相；接触角。在学术上普遍认可的接触角定义是4：过三相接触点，向l-g界面做切线，l
8、-g界面切线与s-l 界面之间的夹角，即为接触角。图3 固体表面上的液滴2. 接触角常见的测量方法接触角测量方法可以按不同的标准进行分类。按照直接测量物理量的不同，可分为量角法、测力法、长度法和透过法。按照测量时三相接触线的移动速率，可分为静态接触角、动态接触角(又分前进接触角和后退接触角)和低速动态接触角。按照测试原理5又可分为静止或固定液滴法、Wilhemly板法、捕获气泡法、毛细管上升法和斜板法。下面按直接测量物理量的不同分类，对几种常用的接触角测量方法做简单地说明。62.1量角法这种方法的本质是直接或间接地量取接触角的大小。它是应用最广，也是最直观、最直接的测量方法，就是根据定义测量接
9、触角，直接观测固体表面上的平衡液滴或附着于固体表面上气泡的外形：观测者从三相交界点处，人为地作气液界面切线，精确度较差。具体的做法又有多种，主要有投影法、摄影法、显微角法、斜板法和光点反射法。量角法的突出缺点是一般需要做切线，测量结果往往受到操作者的影响，重现性差，误差较大。2.2测力法该方法又叫Wilhemly (板)法或吊片法，是Wilhemly于1863年首次提出的。其装置如图4所示，测试固体薄板通过金属丝连接于电子天平，当薄板未浸入液体时，薄板只受到重力作用，测力装置的读数为： F1 = mg 式中F1 未浸入液体时测力装置读数；m待测固体薄板质量；g重力加速度，下同。当薄板深入到深度
10、为h，达到平衡时：F2 = mg+pl-gcos- gph= mg+pl-gcos- gVdisp （6）式中F2 浸入深度为h达平衡时测力装置读数；P 润湿周长；l-g 液体的表面张力，下同； 接触角，下同； 液体与空气的密度差，下同；H 浸入液面以下的深度；Vdisp 浸入液体部分的体积。固体薄板浸入液体前后测力装置的读数差为：F = F2 - F1 =pl-gcos-gVdisp (7)由此可以通过测量的方法，来计算出接触角。电子天平的出现使精度大大提高，已从早期的1提高到0.1。德国KRUSS公司生产的型号为K12的动态表面能分析仪即基于Wilhemly法原理设计制造的。图4 Wilh
11、emly装置1待测固定薄板 2金属丝 3电子天平 4记录器 5测试单元 6测试液体7可移动平台 8升降平台装置 9电机 10支架 11罩杯2.3长度法长度法是通过测量相关的长度参数，利用接触角和这些参数的关联方程，求解出接触角，这就避免了做切线的困难。这种方法有以下三种形式：2.3.1小液滴(球冠)法当液滴足够小时，重力可以忽略，液滴是理想的球冠型，如图5所示。测量在固体平面上小液滴的高度(h)和宽度(2r)，根据： （8） （9）式中r球形液滴底面圆的半径；h液滴的高度。图5 球形液滴剖面图因此，通过测量h和2r，就可以根据式（8）或式（9）计算出接触角。由式（9）表达式，这种方法又叫/ 2
12、法。在实际操作中，对于空气中的液滴，要保证接触角的测量误差范围在0.1，其底面直径应该在2-5mm。液滴的直径不能2mm，是为了避免尺寸效应的影响。目前，美国FTA公司推出的FTA100系列产品、德国Dataphysics公司推出的OCA系列视频光学接触角测量仪以及PCA系列便携式/在线接触角测量仪、ACA系列全自动视频接触角测量仪以及SVT系列视频接触角测量仪(超低界面张力仪)均基于该原理。2.3.2 液饼法将液体滴在平固体表面上，不断增加液体的量，起初液滴面积与高度都随之增加。到一定高度时，液滴的高度达到最大值，再增加液体则只增加液滴直径，而高度不再增加。设达到最大高度的平衡液滴是半径为r
13、、体积为V的圆形液饼。若发生微扰，其半径扩大r，高度下降h，如图6所示。接触角与液饼达平衡时的最大高度之间满足： (10)式中液体的密度，下同；hm最大液饼高度。图6 液饼剖面图因此，在已知液体的密度及表面张力l-g的前提下，只需测出液饼最大高度hm，由式(10)即可计算出接触角的值。但需注意，式(10)只有在液滴半径r比最大高度hm大很多，并达到平衡时方可使用。2.3.3 垂片法将待测薄板竖直插入到液体中，由于毛细作用，液体会沿着薄板上升，如图7所示。液体沿薄片上升的高度h与接触角之间的关系如下： （11）式中，h为液体上升的高度。图7 垂片法在已知液体密度及表面张力l-g的情况下，只要测定
14、出液体沿片上升的高度h，就可以由式(11)计算出接触角。在实际测量中，板宽2cm以上即可。长度法由于不需要做切线，测量结果受操作者的影响比量角法小。但长度法在推导接触角与长度参数的关联方程时，往往有一些假设条件。实际测量中又不能完全满足这些条件，如液滴的体积不是非常小，重力的影响不能忽略，此时液滴不是球形的一部分，或液滴在粗糙表面、多相表面的接触角并不是轴对称的，此时用长度法测量接触角就会给测量结果带来误差。2.4透过法前面介绍的方法一般都只适合平的固体表面，而实际中也会遇到许多有关粉末的润湿问题，常需要测定液体对固体粉末的接触角。透过测量法可以满足这样的要求，它的基本原理是：在装有粉末的管中
15、，固体粒子的空隙相当于一束毛细管，如图8所示，由于毛细作用取决于液体的表面张力和对固体的接触角，上升的最大高度h由下式决定： （12）式中润湿液体的表面张力：r粉末柱的等效毛细管半径。测得液体上升的高度h，即可由式(12)计算出接触角。上海中晨数字技术设备有限公司生产的型号为JF99A粉体接触角测量仪即基于透过法原理。图8 透过法3.影响接触角测定的主要因素前面介绍了一些常用的测定接触角的方法，实施时应注意以下两个问题：平衡时间和体系温度的恒定，当体系未达平衡时，接触角会变化，这时的接触角称为动接触角，动接触角研究对于一些粘度较大的液体在固体平面上的流动或铺展有重要意义，因为粘度大，平衡时间长
16、。同时，对于温度变化较大的体系，由于表面张力的变化，接触角也会变化，因此，若已基平达平衡的体系，接触角的变化，可能与温度变化有关，简单判断影响因素的方法是，平衡时间的影响一般是单方向的，而温度的波动可能造成的升高或降低。除平衡时间和温度外，影响接触角稳定的因素还有接触角滞后和吸附作用。前进接触角，以液固界面取代固气界面后形成的接触角为前进接触角A，如将固体板插入液体中；后退接触角则相反，即以固气界面取代固液界面后形成的接触角叫后退接触角，用R表示，如水滴在斜玻璃板上，流动可形成前进接触角和后退接触角。接触角滞后是指前进接触角与后退接触角之差称为接触角滞后（A-R）造成接触角滞后的主要原因有：（
17、1）表面不均匀是造成接触角滞后的一个重要原因，若固体表面由与液体亲合力不同的两部分a、b组成，则液体对复合表面的接触角与对两种纯固体表面成分自身的接触角的关系是：COS=Xa COS a+Xb COS b Xa、Xb指a、b的摩尔分数，a、b指液体在a固体和b固体上的接触角。实践表明，前进角一般反映与液体亲合力较弱的那部分固体表面的润湿性，因此，A较大（COS小），而后退角反映与液体亲合力较强的那部分固体表面的性质，因此，R较小。对于一些无机固体，由于表面能较高，固而极易吸附一些低表面能的物质而形成复合表面，因此，造成液体对这种复合表面形成的接触角滞后现象，可见，欲准确测定一种固体的接触角，必
18、须保证固体表面不受污染。（2）表面不平也是造成接触角滞后的主要因素，若将一玻璃粗化后，将一水滴滴在倾斜玻璃上，则出现接触角滞后。Wenzel研究了固体表面粗度对润湿性的影响，他指出，一个给定的几何面经粗化后，必然使表面积增大，若以r表示粗化程度，则r=A（真实）/A （表观）。如对可润湿的金属表面，表面经打磨粗化后，可使润湿性变好（如电镀时需表面充分润湿），而对于不润湿的固体表面，表面粗化，将使变大，润湿变差（对一些高聚物表面，可通过粗化使其防水能力提高）。4接触角测量技术的最新进展4.1量角法的最新进展量角法是接触角中常用到的一种测量方法。但由于准确地确定三相点和切线是难点，传统的方法测得接
19、触角的误差范围为3，而且测量结果往往受操作者的影响，重现性差，误差大。为了消除这种由于操作者不同对测试结果的影响，常常采用间接测量的方法或借助计算机和数学算法对数据进行处理。Bateni等7采用自动多项拟合算法APF(auto-mated polynomial fit)测接触角，这种方法与量角法相似，但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。Stalder 8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。在本质上，Snak
20、e-based法与多向拟合法相类似。Ding 9等采用有限元法FEM(finite element method)算法处理液滴外形数据，测量接触角。4.2测力法的最新成果通常接触角测量是在非绝对平衡条件下进行的，因此得到的是非平衡前进接触角和后退接触角。为解决这一问题，Della等 10在Wilhelmy板法装置的基础上，经过改造，设计了一套新的试验装置。如图9所示，采用力松弛或振动方式，由计算机控制微平衡，用一个扬声器将机械能转移给三相接触线的液体，保证测试时达到真正的平衡状态。用该装置可以测量稳态平衡接触角。图9 测稳态平衡接触角的装置4.3长度法的最新进展在2.3节中已经提到 / 2法，
21、这种方法只需两个(或三个)边界条件(顶点和一边或两边的接触点)，是一种非常方便的测量接触角的方法。但这种方法的前提是假设液滴为球形的一部分，因此只适合于小液滴和重力的影响可以忽略不计的情况下。在大边界数时(即大体积或小表面张力) ，一般液滴的外形偏离球形。因此，假设液滴为球形的前提下，得到的接触角会产生一些误差。Yang等 11提出了一种新的方法，在借助计算机、照相机和图像处理器，用测量的 / 2值、液体的密度和表面张力来校正测量的接触角。该方法可以动态测量前进接触角和后退接触角，测量误差范围为0.2。Potenbery等 12首先使用轴对称ADSA-P(axisymmetric drop s
22、hape analysis profile)法测接触角。此法首先在液滴外形上取若干点，利用Laplace方程计算： （13）式中p弯曲液面两侧压力差；h液体的高度；R1, R2 曲面的主半径。建立液滴外形轮廓方程，再在液滴外形上取若干关键点，根据这些关键点的参数与接触角之间的关系方程，求解出接触角。如Bashforth和Adams 13提出重力场中轴对称液滴外形满足下式 (图10) ： （14） （15）式中b液滴最高点的曲率半径；S点切线与水平方向之间的夹角；轴对称液滴形状因子；x轴对称液滴x坐标；z轴对称液滴z坐标；RS点在垂直于纸面上的主曲率半径。图10 轴对称液滴剖面ADSA-P法后来
23、又被Neumann 14，15研究小组的几个成员不断完善，相继提出了ADSA-CD法和ADSA-MD法测接触角。ADSA-CD法测量接触角体系90。后来该小组又进一步完善了ADSA-MD法，提出了ADSA-D法测接触角，ADSA-D法所测接触角可以90。关于接触角与测量速率和润湿液体的粘度的依赖关系，一直是一个有很大争议的问题。Tavana等 16在原有固定液滴所用体积流率装置的基础上，经过重新设计，用计算机程序控制液滴的加入和吸出，使三相线的速率可以实现连续线性变化，而在一个测试周期内则保证始终恒定。他们以三相线的移动速率为函数，用ADSA-P法研究了不同粘度 (0.7617.65cp)的液
24、体对光滑、均相的Telfon AF 1600涂膜的接触角。结果表明，对低粘度液体(动态粘度远低于10cp)低速测量(三相接触线的移动速率12mm/ min)时，前进接触角和后退接触角都没有明显地受到流体动力学的影响。这是因为对低粘度液体而言，表面张力是占主导地位的。此时测得的接触角具有热力学意义，可以用于Young方程。对非常粘稠的液体，在高速测量时，流体动力学对接触角有很大影响。因此，对于粘性液体，同样只有在低速率测量时得到的接触角，可以用于Young方程。增加三相接触线的移动速率，将导致前进接触角的增加和后退接触角的减小，即表现为接触角滞后现象增加。传统的方法都是用微型注射器从液滴上部注入
25、或抽出少量液滴体，待达到平衡后测量接触角(通常在加液和减液后10s 内)，如果连续两次测量的接触角相同，即为前进接触角或后退接触角。近些年，Oliver等 17提出从液滴底部注入或抽出液体的方法。Kwok等 18采用了这种思想, 现已开发出ADSA-P软件，此法得到广泛应用，如图11所示，液体从底部注入或抽出，注射器内部活塞的移动速度可以精确控制，而且能够保证液滴的增长和减小是严格轴对称的。Kwok等用该方法测定了17种液体在FC2722浸涂云母上的低速动态接触角。结果表明，当三相线的移动速率低于1mm/ min，动态接触角和静态接触角之间的差别可以忽略。如果上述结论成立，这种动态法测接触角的
26、最大优点是可以保证测量的接触角一定为前进接触角和后退接触角。然而在此速率下，动态接触角和静态接触角之间的差别尚无定论。图11 电动注射器动态接触角示意图Katoh等 19根据固体垂直插入液体缓慢提起时，会形成一对两维的弯曲液面，如图12所示，当固体上升至某一临界高度Hc 时，两个弯液面最窄的部分相互接触，弯液面破裂。通过Laplace方程，从理论上推导出接触角和临界高度Hc 之间的关系。因此，只需通过测量临界高度Hc 就可以算出接触角。图12 图柱法测试原理5.接触角技术的应用接触角测量技术作为一种常用的表面分析技术，具有所用仪器设备简单、价格低廉、操作方便、获得信息量大等诸多优点，因此在提高
27、石油开采率、浮选目标矿物质、清洁煤炭处理、生物医药材料、芯片产业、无毒低表面能防污材料的表征方面有重要应用。此外，接触角测量技术在油墨、化妆品、农药、印染、造纸、织物整理、洗涤剂、喷涂、污水处理等行业的表征方面也有重要应用。5.1在石油开采工业方面的应用世界上已探明石油储量约一半为碳酸盐岩油藏。这些碳酸盐岩油藏中很多都有天然裂缝，形成毛细管。由于毛细管作用，裂缝中的石油很难解吸出来，从而导致裂缝油藏的采收率一般都低于非裂缝油藏的采收率。为了提高裂缝油藏的采收率，就要首先测定裂缝岩石对水接触角，了解裂缝岩石的亲水、亲油性。如果裂缝岩石是水湿的(对水接触角小于30) ，就可以采用注水驱油法采油，该
28、方法属于二次采油。亲水性裂缝岩石的毛细管力容易吸入水，同时排除油，这样就可以提高采油率。然而，许多碳酸盐岩油藏(约80%)是混和润湿(对水接触角大于30小于150)的或油润湿的(对水接触角大于150) 20。这时就要采用添加表面活性剂驱油，该方法属于3次采油。表面活性剂的加入是为了减小岩石对水接触角，增加岩石的亲水性。Austad 21用阳离子表面活性剂，如十二烷基三甲基溴化铵(DTAB) ，在浓度高于其临界胶束浓度CMC(质量分数约1%)条件下，能够非常有效地使油湿性岩石吸水。吸入机理为： 吸附的原油中的有机羧酸盐与表面活性剂单体之间的相互作用产生离子对； 油相和胶束中离子对的分裂使固体表面
29、变成水湿性； 毛细管压力使吸入盐水反向流动，吸入率随温度升高而升高，与原始水饱和度成反比。阴离子表面活性剂的采油速度比阳离子表面活性剂的慢。对于阳离子表面活性剂，表面活性剂吸附在矿石表面的气水接触角小(12-18) ，而阴离表面活性剂的接触角大 (39-63) 。分子沉积膜(molecule deposition，MD)驱油是提高原油采收率的一种新方法。MD膜本质是一种离子型表面活性剂，它能在固体表面上单层交替沉积的自组装超薄膜，以静电作用为驱动力驱油。高芒来 22以一种单分子双季铵盐(MD21)作为MD膜驱油剂，研究表明在吸附MD21后的油砂上汽油的接触角由43.68增大至49.56，油砂表
30、面亲油性减弱，亲水性增强。这时，就可以采用注水的方法，以水相为驱动相，油相为被驱动相，从而提高原油采收率。5.2在浮选工业方面的应用浮选即泡沫浮选，是很独特的液固气三相分离方法。它是依据各种物料的表面性质的差异，在浮选剂的作用下，借助于气泡的浮力，从物料悬浊液中分选物料的过程 23。这种方法所分离的物质与其密度无关，主要取决于其表面性质的差异，能浮出液面的物质对空气的表面亲和力比对水的表面亲和力大。在选矿之前测量矿物对水接触角，了解矿物的可浮性。矿物对水接触角越大，表明其疏水性越大，可浮性也越大。根据热力学知识可以推导出，可浮性指数与接触角之间的关系为：W=(1- cos) (16)上式中，W
31、为粘附功或可浮性指数； 为是水气界面表面自由能； 为颗粒对水接触角；可以看出可浮性指标W和H的函数。接触角等于0，矿物可以完全被水润湿，则W等于0，即不能不浮选。矿物颗粒对水的接触角越大，越容易被浮选。对于难于浮选的矿物，就要添加表面活性剂作为捕收剂，增加被浮选矿物的疏水性，增加其可浮选性。镍是日本实施国家储备的7种金属元素之一，足见其重要性。松田光明 24探讨了用硫化处理的方法从废弃电子元件中浮选回收贵重金属镍。对废旧镍颗粒硫化前后接触角的测量研究表明，硫化前后的接触角分别为96和99。由此可见，硫化后镍颗粒具有更强的疏水性，因为硫化处理后，在镍颗粒表面生成少量的硫化物，促使捕收剂如戊基黄原
32、酸钾吸附在镍颗粒表面，所以通过硫化处理提高了镍元素的回收率。我国的煤炭储量居世界第三位，是煤炭资源储藏的大国，同时也是煤炭的消费大国，然而，煤炭的大量燃烧所带来的环境污染问题日益引起人们的重视。发展洁净煤炭技术，是实现我国社会可持续发展和构建和谐社会的必然要求。张国胜 25研究了从粉煤灰中用浮选法回收碳颗粒，他们对粉煤灰和碳颗粒对水接触角的测试结果表明，粉煤灰中炭粒的表面润湿性和可浮性与煤炭相近，其接触角在60左右，而粉煤灰中其他颗粒的接触角较小，只有10左右，在泡沫浮选过程中，由于炭粒具有较大的接触角，它能粘附于气泡表面上浮，而粉煤灰中的其他颗粒接触角较小，不能粘附于气泡表面而仍留在灰浆中，
33、且在浮选药剂的作用下，炭粒与其他颗粒之间的这种润湿性差别增大，从而能够实现炭粒与其他颗粒的有效分离。5.3在医药材料方面的应用接触角测量技术在药物和生物医用材料的研发中也有重要应用。聚-己内酯(PCL)与许多亲酯性药物如固醇有很好的相溶性，然而 ,它很难用于亲水性蛋白质药物。测量PCL改性药物对水的接触角，就可以在做人体药物活性实验之前，预测其用于释放蛋白质药物方面的效果 26。生物医用材料的细胞相容性是指细胞在材料表面黏附和生长的能力，一种理想的生物医用材料应该具有与血液很好的相容性，这样才能避免由于凝血而导致的“排异现象”。由于接触角测量方便、快速，而且现代的接触角测量技术可以实现在线分析
34、，因此接触角测量技术在组织工程血管筛选方面有其它分析方法不可取代的地位。卢光 27通过接触角测量，研究了聚羟基丁酸戊酸酯(PHBV)为主体的几种生物材料和人包皮成纤维细胞的生物相容性，为组织工程血管初步选择较好的支架材料，结果表明在所研究的这些材料中，PHBV生物材料接触角最小，与细胞的相容性最好。TiNi 形状记忆合金以其独特的形状记忆效应及生物力学性能受到了广泛的青睐。但在人体这一特殊环境中，上述合金会发生腐蚀，这不仅严重影响了材料的使用寿命，且腐蚀释放的金属离子会对人体产生致敏、致畸、致癌等生理危害。当材料与血液接触时，其表面特性及腐蚀产生的金属离子亦会对凝血、溶血过程产生影响，因此植入
35、材料必须具备良好的耐蚀性和优异的血液相容性。郭海霞 28研究了TiNi、CoCrNiW、CoCrNiMo三种合金生物医用材料对去离子水、生理盐水、Tyrodes 溶液和人体血液的接触角。结果表明，在4中溶液中，三种合金材料的接触角大小顺序为：TiNi CoCrNiWCoCrNiMo。这就说明，TiNi 表面最亲水，与血液的相容性最好。5.4在微流控芯片方面的应用微液滴驱动芯片是一种新型的基于介质上电润湿(Electrowetting-on-dielectric，EWOD)下实现微尺度下流体的精确操控技术 29。EWOD是通过在介质膜下面的微电极阵列上施加电势来改变介质膜与表面液体的润湿特性，即
36、通过局部改变液滴和固体表面的接触角，造成液滴两端不对称形变，使液滴内部产生压强差，来实现对液滴传输的操作和控制。由于EWOD驱动器表面电化学不活泼、功耗低、响应速度快等特点，它在芯片实验室微流体驱动系统中被认为是最具有发展前途的驱动机制之一。5.5在低表面能无毒防污材料方面的应用低表面能无毒防污材料是利用涂层低表面能和不粘性，污损物不易在其表面附着，即使附着也不牢固，在雨水、风力、自身重力或其它自然条件下，能够自动脱落，以达到防污的目的。低表面能防污材料在船舶防污、雷达信号防衰减、高压输电防污闪等方面有重要应用。接触角是表征低表面能无毒防污材料的重要参数。例如，用于船舶的无毒低表面能防污材料只
37、有在涂层对海水的接触角大于98(表面能小于2。510- 4JPm2)时，才具有防止海生物附着，具有防污效果 30。5.6 生物传感器制作过程中的作用图13 接触角测定（a）3D纳米SiO2膜；（b）水虎鱼酸处理；（c）GPTMS膜；（d）亲和素功能化纳米SiO2膜载体上固定的生物分子的生物活性和该材料的生物相容性相关，而亲水性决定了其生物相容性的好坏，其亲水性可用接触角来衡量。从图13可看出三维纳米多孔SiO2 膜、水虎鱼酸处理过的膜、接上GPTMS的膜及亲和素功能化三维纳米多孔SiO2膜的接触角分别为55，37，63和19。水虎鱼酸处理后产生大量的羟基基团，因而增加了纳米多孔SiO2 膜的亲
38、水性。链霉亲和素功能化的膜其接触角最小，证明其亲水性最好，从而为固定的蛋白质提供了良好的生物相容性微环境。因而，与平板玻璃片相比，固定在膜上的蛋白质具有更长的寿命，这对生物反应器和传感器的制备极为有利。此处利用接触角技术成功表征了生物传感器的制作过程，为材料表面的性质提供了有利依据6. 结束语接触角是材料表面分析中最灵敏的参数之一，其有效探测深度约为3-20nm，通过接触角的测量，可以获得材料表面固-液、固-气界面相互作用的许多信息。接触角的测量方法有多种，而且还在不断地发展完善，这些方法各有其使用范围和优缺点，没有一种技术能够测量所有固体表面的接触角。在实际操作中应该根据具体情况，选择合适的
39、测量方法。接触角数据应该与其他的表面分析技术，如XPS，SEM，AFM和ATR-IR等相结合，综合分析才能更深刻地理解材料的表面性能。接触角测量技术今后将朝着高精确度、多功能化和在线分析的方向发展。由本文接触角测量技术在一些比较有代表性的、重要的领域的应用不难看出，凡是在固液接触的界面都存在一个接触角，对接触角的测量可以获得固-液、固-气相互作用的许多信息。因此笔者建议将接触角测量技术应用到所有存在固液接触界面的现象中，为理论研究和科学生产提供重要的技术参数。参考文献1 Santos, Mo hamed, Bannwart, et al. Contact angle measurements
40、and wetting behavior of inner surfaces of pipelines exposed to heavy crude oil and water J. J Petrol Eng, 2006, 51(1/2) : 9.2 Wouters, Ruiter. Contact-angle development of polymer melts J. Prog Org Coat , 2003, 48(2- 4) : 207.3 Blake. The physics of moving wetting linesJ. J Colloid Interf Sci , 2006
41、, 299(1) :1- 13. 4 Tavana, Simon, Grundke, et al. Interpretation of contact angle measurements on two different fluoropolymers for the determination of solid surface tensionJ. J Colloid Interf Sci , 2005, 291(2) : 497- 506.5 Smedley, Coles. A refractive tilting-plate technique for measurement of dyn
42、amic contact anglesJ. J Colloid Interf Sci , 2005, 286(1) : 310- 311.6 丁晓峰，管蓉，陈沛智，接触角测量技术的最新进展，理化检验-理化分册，2008，44(2)7 Bateni , Susnar , Amirfazli , et al. A high-accuracy polynomial fitting approach to determine contact angles J. Colloid Surface A, 2003, 219(1/3) : 215- 219.8 Stalder , Kulik, Sage, e
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