接觸角的定義

當液滴自由地處于不受力場影響的空間時，由于界面張力的存在而呈圓球狀。但是，當液滴與固體平面接觸時，其最終形狀取決于液滴內部的內聚力和液滴與固體間的粘附力的相對大小。當一液滴置于固體平面上時，液滴能自動地在固體表面鋪展開來，或與固體表面成一定的角度而存在，如圖 1-1 所示 θ 角，我們稱之為接觸角，即在一固體水平平面上滴一液滴，固體表面上的固—液—氣三相交界點處，其氣—液界面和固—液界面兩切線把液相夾在其中所成的角，也稱浸潤角或潤濕角(WettingAngle)。用符號 θ 表示，單位度(°)。

具體地說，它是液體-氣體界面上的表面切線與固體-液體界面上的表面切線在相交處之間的角度。通過接觸角θ可以量化液體對固體表面的潤濕性。接觸角可用來評價表面潤濕性、處理工藝、潔凈度等參數(shù)。

圖 1-1 接觸角

應用范圍

石油、化工、醫(yī)藥、造紙、涂料、農(nóng)藥、材料粘結劑、陶瓷、洗滌劑、高分子顏料、電線電纜、紡織、染料、建筑材料防水、浮法選礦、焊接、醫(yī)療衛(wèi)生等眾多領域。

應用領域

1.1. 在潤滑油的特性標定中，檢驗各中重油、潤滑油的黏附及潤濕關系。

1.2. 在印刷行業(yè)中，檢驗印刷油墨、金屬、紙張之間的付著、黏結潤濕關系。

1.3. 在建筑防水工作中，檢驗經(jīng)硅酸樹脂處理的紡織物的防水性能。

1.4. 在浮選工作中，檢驗用沸騰法選擇礦物微粒在油水混合物中沾化吸附能力。

1.5. 在搪瓷工業(yè)中，檢驗溶化的硅化物對金屬表面的粘化附著力。

1.6. 在活性試劑表面特性測定中，檢查液體試劑的滲透、生銹特性。

1.7. 檢驗金屬表面的脫脂，清潔，老化，親水等情況及薄膜表面上的吸附特性。

1.8. 在軍事科學研究中，檢驗發(fā)射出的彈皮與空氣中雨霧的附著、潤濕特性。

國家相關標準

1.1. GB/T 24368-2009(玻璃表面疏水污染物檢測).

1.2 .SY/T5153-2007(油藏巖石潤濕性測定方法).

1.3. ASTM D 724-99(2003)(紙的表面可濕性的試驗方法).

1.4 .ASTM D5946-2004(塑料薄膜與水水滴角度的測量).

1.5. SO15989(塑料薄膜和薄板電暈處理薄膜的水水滴角度的測量).

接觸角的測量方法

目前廣泛的接觸角測量方法是外形圖像處理法，即將液滴滴于固體樣品表面，通過顯微鏡或相機獲得液滴的外形圖像，然后運用特定數(shù)學模型(如液滴可視為球、橢球或圓錐的一部分)通過特定的參數(shù)(如寬、高)擬合計算出接觸角。

座滴法(The static sessile drop method)，利用探測液滴測量待測表面液滴形狀而計算出接觸角的方法。將液滴滴在固體表面上，通過觀察液滴與固體表面的接觸情況來測量接觸角。可以使用顯微鏡或高分辨率相機來測量接觸角。

動態(tài)靜滴法(The dynamic sessile drop method)，動態(tài)靜滴類似于靜態(tài)靜滴，但需要對液滴進行修改。常見的動態(tài)靜滴研究類型確定最大接觸角，而不通過動態(tài)增加體積來增加其固體-液體界面積。這個最大角度稱為前進角。通過移除體積來產(chǎn)生可能的最小角度，即后退角。前進角和后退角之間的差異是接觸角滯后現(xiàn)象。

懸滴法(The pendant drop method)，在一塊固體表面上懸掛液滴，通過改變固體表面的傾斜角度或者液滴的體積，觀察液滴的形態(tài)變化，從而計算接觸角。

停泡法(Captive Drop Method)，將固體放在液體上面，液體與固體間沒有空隙，用特制毛細管至下而上噴出氣泡，停在固體下表面，采集并分析浸入液體中氣泡在固體下表面的角度，也稱氣泡俘獲法或貼泡法。

力測量法(DynamicWilhelmy method)，采用表面張力儀中的稱重傳感器和專業(yè)分析軟件，測量固體與液體間的界面張力，再通過換算得出接觸角值。

1 接觸角概念

接觸角定義為在液體、氣體、固體三者交匯點位置，液體和氣體界面切線與液體和固體界面切線的夾角。根據(jù)接觸角定義，其取值范圍為 0° - 180°。

接觸角定義圖示

影響接觸角的因素較多，且有公式進行計算。從CFD仿真角度簡單理解，接觸角會隨著固體表面材料特性不同而改變，包括表面粗糙度。接觸角是邊界條件而非材料屬性。

接觸角測量儀為測量接觸角的儀器。

接觸角測量

2 Fluent中的接觸角設置

2.1 設置接觸角

Fluent中支持接觸角設置的多相流模型有三個：VOF、混合物、歐拉。在多相流模型的相間作用機理中，需要勾選表面張力和壁面附著選項。

接觸角在邊界條件中設置，每個固體壁面均可設置接觸角數(shù)值，軟件默認單位為度。

根據(jù)相的次序不同，其設置角度不同：

主相為氣體，副相為液體，則接觸角設置為實際值

主相為液體，副相為氣體，則接觸角設置為(180 - 實際值)

2.2 設置對比

采用四種設置進行對比。截面的相體積分數(shù)視圖中，藍色表示水，紅色表示空氣，白色區(qū)域為相界面。

設置方案 1：主相為空氣，副相為水， 接觸角 45°

設置方案 2：主相為空氣，副相為水， 接觸角 135°

設置方案 3：主相為水，副相為空氣， 接觸角 135°

設置方案 4：主相為水，副相為空氣， 接觸角 45°

從結果對比可知，若相的次序調換，則接觸角設置需要調整，且調整前后的接觸角數(shù)值總和應為180°。