CN105466813A - 一种粉末与液体的接触角测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于粉末表面能检测技术领域，公开了一种粉末与液体的接触角测定方法。所述方法为1)选取已知粉末和液体；2)采用高度法或压力法测定液体在装有已知粉末的测试装置中的平衡液面差，若液体能润湿已知粉末，则采用高度法，反之采用压力法；3)判断未知粉末与液体的润湿性；4)采用高度法或压力法测定液体在装有已知粉末的测试装置中的平衡液面差；若液体能润湿未知粉末，则采用高度法，反之采用压力法；5)根据建立的数学模型计算接触角。本发明的方法操作简单易行，适用于各种粒径大小和形状的粉末，并且本方法适用于接触角为0～180°的粉末。

Description

一种粉末与液体的接触角测定方法

技术领域

本发明属于粉末表面能检测技术领域，涉及一种简便的粉末接触角测定方法，特别涉及一种不同粉末和同种液体之间的接触角测定方法。

背景技术

当液滴与固体平面接触时，假定不同界面间的力可用界面方向的界面张力来表示，则当液滴在平面上处于平衡状态时，这些界面张力在水平方向的张力之和应该等于零，即γ_S/A＝γ_S/L+γ_L/Acosθ，式中γ_S/A、γ_S/L、γ_L/A分别表示固——气、固——液、液——气界面张力，θ为自固——液界面经过液体内部到气——液界面之间所夹的角，称为接触角。接触角是反映物质与液体润湿关系的重要尺度。

液体在固体粉末上的接触角，虽然在实践中非常重要，但其测定要比在平面固体表面上的困难得多，因而至今尚无理想的测定方法。目前关于粉末接触角的测定方法主要有三种：单粒子测定法、毛细管上升法、压片法。

所谓单粒子测定法是利用显微镜镜头或相机来获得液滴在单个粉末粒子表面所形成的图像，再利用数字图像处理和一些算法计算出液滴在粉末表面的接触角。当粉末粒子的粒径很小时(20–50μm)，需要环境扫描电子显微镜才能获得图像，且不适用于接触角很小的情况，也不适用于多孔性粉末。当粉末粒径更小时，则需要原子力显微镜来成像，而原子力显微镜只适用于表面光滑的球形粒子。由此可见，单粒子测定法还存在许多缺陷，并不适用于测量所有粉末和任何液体之间的接触角。

基于Washburn方程的毛细管上升法是比较经典的粉末接触角测量方法。将粉末均匀填入测量管中，粉末间的孔隙可以看作一束平均半径为R的毛细管，利用一种接触角已知的液体(通常选用θ＝0°的液体)来确定毛细管平均半径R，然后依据待测液体在粉末柱中的渗入速度和平均半径R求出该液体在该粉末表面的接触角。该法操作简便、成本低，但是只能测0＜90°的接触角。

压片法是测量接触角θ＞90°时运用较广的一种方法，将粉末压制成表面平整的片状，然后将液滴滴在粉末片上，再用测角器测出接触角。该法具有如下缺陷：在压制成片的过程中粉末的表面性质很可能会发生变化，从而导致测出的接触角并不完全准确；该法只适用于那些能压制成片且在液滴的作用下不松散的粉末，假若加入一些粘结剂使其成片，那么测出的接触角将失真。

在实际应用中，通常需要将疏水的粉末表面改性成亲水表面，或者将亲水的粉末表面改性成疏水表面，这种改性只涉及粉末表面性质的变化，表面性质的变化通常对粉末粒径的影响很小，故改性前后粉末粒径的变化可忽略不计。对粉末进行改性之后，粉末和液体之间的润湿程度发生了变化，通常通过测定改性前后的粉末和液体之间的表面接触角来衡量对粉末的改性效果。实际应用中，这些粉末的粒径可大可小，改性之后接触角可能大于90°也可能小于90°，显然目前的接触角测定方法并不能快速简便地解决此问题。

发明内容

为了解决现有技术的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种粉末与液体的接触角测定方法。

本发明目的通过如下技术方案实现：

一种粉末与液体的接触角测定方法，具体包括如下步骤：

1)选取已知粉末和液体；

2)采用高度法或压力法测定液体在装有已知粉末的测试装置中的平衡液面差；当液体能润湿已知粉末时，采用高度法进行测定；当液体不能润湿已知粉末时，采用压力法进行测定；所述高度法的测试装置示意图如图1所示，所述压力法的测试装置示意图如图2所示；

所述高度法是指将已知粉末缓慢填充至竖直的管底端装有多孔塞的透明管中，不断振动透明管直至粉末柱的高度不再下降，将装有粉末的透明管竖直放入装有液体的容器中，使容器中液体的液面和多孔塞的顶面在同一水平面上，测定液体在粉末柱中上升的最大高度h₀，为正数；

所述压力法是指将已知粉末缓慢填充至竖直的管底端装有多孔塞的透明管中，不断振动透明管直至粉末柱的高度不再下降，在粉末柱顶面盖上另一多孔塞，再从装粉末的透明管的上端开口处缓缓注入液体，在压差的作用下，液体渗透至粉末柱中，当粉末柱中液面不再下降时，测定粉末柱中液面和粉末柱上端液体柱液面高度差h₀，为负数；

3)判断液体对未知粉末的润湿性：将未知粉末缓慢填充至竖直的管底端装有多孔塞的透明管中，将装有未知粉末的透明管竖直放入装有液体的容器中，使液体的液面与多孔塞的顶面在同一水平面上，如图3所示，若液体能渗入粉末柱，则液体能够润湿粉末，反之则不能润湿；

4)采用高度法或压力法测定液体在装有未知粉末的测试装置中的平衡液面差；当液体能够润湿未知粉末时，采用高度法进行测定；反之，则采用压力法进行测定；所述高度法除了采用未知粉末代替已知粉末，其它步骤与步骤2)的高度法相同，所述压力法除了采用未知粉末代替已知粉末，其它步骤与步骤2)的压力法相同；所述高度法测定的液体在粉末柱中上升的最大高度记为h，为正数；所述压力法测定的液面高度差记为h，为负数；

5)建立液体与粉末表面的接触角数学模型，计算未知粉末与液体的接触角：

$cos\mathrm{\θ}=\frac{h}{h_0}{\mathrm{cos\θ}}_0$

式中：

θ为未知粉末和液体之间的接触角；θ₀为已知粉末和液体之间的接触角，是已知的；h为液体在装有未知粉末的测试装置中的平衡液面差；h₀为液体在装有已知粉末的测试装置中的平衡液面差。

步骤3)所述未知粉末与步骤1)所述已知粉末的粒径相同或相似，所述相似是指未知粉末的粒径为已知粉末粒径±10％的已知粉末粒径，优选为已知粉末粒径±1％的已知粉末粒径。步骤3)所述未知粉末优选为与步骤1)所述已知粉末的粒径相同或粒径范围相同。

步骤3)所述未知粉末与步骤1)所述已知粉末的密度相同或相似，所述相似是指未知粉末的粒径为已知粉末密度±10％的已知粉末密度，优选为已知粉末密度±1％的已知粉末密度。

步骤1)～4)所述液体为任何种类的液体，优选为水。

步骤2)所述多孔塞为既能阻止粉末渗透出来又能允许空气和液体顺利通过的多孔塞，且很容易被待测液体透过，所述多孔塞优选为砂芯片。

步骤2)所述高度法测试装置包括装粉末的透明管、设在透明管底端的多孔塞和装液体的容器，该装置示意图如图1所示；

步骤2)所述压力法测试装置包括中空的透明管和两多孔塞，一多孔塞设在透明管的底端，另一多孔塞设在透明管中，该装置示意图如图2所示；

步骤2)所述装粉末的透明管内径相同；

步骤5)所述液体与粉末表面的接触角数学模型，通过以下方式得到：

根据Laplace方程可知：

已知粉末与液体：h₀ρ₀g＝2γ₀cosθ₀/R₀；未知粉末与液体：hρg＝2γcosθ/R

其中：γ₀、γ为液体的表面张力；ρ₀、ρ为液体的密度；θ₀、θ分别为液体与已知粉末、液体与未知粉末之间的表面接触角；R₀、R分别为装已知粉末透明管和装未知粉末透明管中粉末柱间等效毛细管半径；h为液体在装有未知粉末的测试装置中的平衡液面差，h₀为液体在装有已知粉末的测试装置中的平衡液面差；

由于步骤1)～步骤4)中的液体相同，因此γ₀＝γ，ρ₀＝ρ；由于粉末、液体已知，通过现有的技术可查出或测出θ₀，因此θ₀已知；将已知粉末和未知粉末以同样的填充方式分别均匀填入相同内径的管中，近似认为已知粉末柱与未知粉末柱具有相同的孔隙结构和孔隙半径分布，即R₀＝R，故有

$cos\mathrm{\θ}=\frac{h}{h_0}{\mathrm{cos\θ}}_0$

步骤3)所述未知粉末优选为将已知粉末进行改性的粉末，所述改性是指优选对亲水性粉末进行亲油改性，亲油性粉末进行亲水性改性。

本发明与现有技术相比具有如下优点和有益效果：

(1)在已知一种粉末与液体的接触角时，仅通过测量高度而计算出与这种粉末粒径和密度相同或相似的粉末和同种液体之间的接触角，这种方法操作简单易行，需要测量的参数仅仅为高度；

(2)对粉末粒径大小没有要求，适用于各种粒径大小的粉末，只是已知粉末与未知粉末的粒径需相同或相似；对粉末的形状没有特定要求，适用于球形和非球形粉末；本发明的测定方法适用于接触角的范围为0°～180°的粉末。

附图说明

图1为本发明中高度法测试装置的示意图；

图2为本发明中压力法测试装置的示意图；

图3为本发明的判断未知粉末润湿性的测试装置示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

测量经二甲基二氯硅烷表面改性后的硅胶粉与水之间的接触角：

1)采用高度法测定蒸馏水在装有改性前硅胶粉的测试装置中的平衡液面差，测试装置如图1所示，其做法是：将30.0g改性前的硅胶粉(100-200目)缓慢填充至内径8mm的玻璃管(样品管)中，管底端装有一块既能阻止硅胶粉末渗透出来又能允许空气和水顺利通过的砂芯片，不断振动样品管直至粉末柱的高度不再下降，将粉末柱轻轻放入装有蒸馏水的容器中，使蒸馏水的液面与砂芯片的顶面在同一水平面上，做了5组平行实验，所得蒸馏水在粉末柱中上升的最大高度值分别为：82.5cm，81.7cm，81.9cm，82.3cm，82.6cm，取平均值得h₀＝82.2cm；

2)判断改性后的硅胶粉末的润湿性，测试装置如图3所示：将经二甲基二氯硅烷表面改性后的硅胶粉缓慢填充至竖直的管底端装有砂芯片的透明管中，将装有改性后的粉末的透明管竖直放入装有蒸馏水的容器中，使蒸馏水的液面与砂芯片的顶面在同一水平面上，水并没有渗透至粉末柱中，说明改性后的硅胶粉为疏水的粉末；

采用压力法测定蒸馏水在装有改性后的硅胶粉的测试装置中的平衡液面差，测试装置如图2所示；其做法为：称取30.0g改性后的硅胶粉末以步骤1)同样的方式从开口处填充于底部有砂芯片内壁疏水的内径8mm的玻璃管(样品管)中，不断振动样品管直至粉末柱的高度不再下降，在粉末柱的顶端盖上砂芯片，再从样品管上端的开口处缓缓注入蒸馏水，在压差的作用下，蒸馏水透过砂芯片渗透至粉末柱中，当粉末柱中液面不再下降时，测定粉末柱中液面和粉末柱上端液体柱液面高度差，做了5组平行实验，高度差分别为：-47.5cm，-47.2cm，-46.8cm，-46.5cm，-47.1cm，取平均值为h＝-47.02cm；

3)根据建立的液体与粉末表面的接触角数学模型，计算改性后的粉末与水的接触角；

查文献可知硅胶粉与水之间的表面接触角为2°，即θ₀＝2°，故改性后的硅胶与水之间的表面接触角θ有得θ＝125°。

实施例2

测量经乙烯基三乙氧基硅烷表面改性后的TiO₂粉末与水之间的接触角：

1)采用高度法测定蒸馏水在装有改性前TiO₂粉末的测试装置中的平衡液面差，测试装置如图1所示，其做法是：将30.0g改性前的TiO₂粉末(200-300目)缓慢填充至内径8mm的玻璃管(样品管)中，管底端装有一块既能阻止TiO₂粉末渗透出来又能允许空气和水顺利通过的砂芯片，不断振动样品管直至粉末柱的高度不再下降，将粉末柱轻轻放入装有蒸馏水的容器中，使蒸馏水的液面与砂芯片的顶面在同一水平面上，做了5组平行实验，所得蒸馏水在粉末柱中上升的最大高度值分别为：45.3cm，44.8cm，44.5cm，45.1cm，45.6cm，取平均值得h₀＝45.06cm；

2)判断改性后的TiO₂粉末的润湿性，测试装置如图3所示：将经乙烯基三乙氧基硅烷表面改性后的TiO₂粉末缓慢填充至竖直的管底端装有砂芯片的透明管中，将装有改性后的粉末的透明管竖直放入装有水的容器中，使水的液面与砂芯片的顶面在同一水平面上，水并没有渗透至粉末柱中，说明改性后的TiO₂粉末为疏水的粉末；

采用压力法测定蒸馏水在装有改性后的TiO₂粉末的测试装置中的平衡液面差，测试装置如图2所示；其做法为：称取30.0g改性后的TiO₂粉末以步骤1)同样的方式从开口处填充于底部有砂芯片内壁疏水的内径8mm的玻璃管(样品管)中，不断振动样品管直至粉末柱的高度不再下降，在粉末柱的顶端盖上砂芯片，再从样品管上端的开口处缓缓注入蒸馏水，在压差的作用下，蒸馏水透过砂芯片渗透至粉末柱中，当粉末柱中液面不再下降时，测定粉末柱中液面和粉末柱上端液体柱液面高度差，做了5组平行实验，高度差分别为：-42.6cm，-42.8cm，-41.9cm，-42.4cm，-43.3cm，取平均值为h＝-42.6cm；

3)根据建立的液体与改性后粉末表面的接触角数学模型，计算改性后的粉末与水的接触角：

查文献可知未改性的TiO₂与水之间的表面接触角为30°，即θ₀＝30°，故改性后的TiO₂与水之间的表面接触角θ有得θ＝145°。

实施例3

测量经Ar等离子体处理的聚四氟乙烯(PTFE)粉末与水之间的接触角：

1)采用压力法测定蒸馏水在装有改性前的PTFE粉末的测试装置中的平衡液面差，测试装置如图2所示；其做法为：称取30.0g改性前的PTFE粉末(300-500目)缓慢填充至内径8mm的玻璃管(样品管)中，管底端装有一块既能阻止PTFE粉末渗透出来又能允许空气和水顺利通过的砂芯片，不断振动样品管直至粉末柱的高度不再下降，在粉末柱的顶端盖上砂芯片，再从样品管上端的开口处缓缓注入蒸馏水，在压差的作用下，蒸馏水透过砂芯片渗透至粉末柱中，当粉末柱中液面不再下降时，测定粉末柱中液面和粉末柱上端液体柱液面高度差，做了5组平行实验，高度差分别为：-25.6cm，-25.8cm，-24.9cm，-25.4cm，-25.3cm，取平均值为h₀＝-25.4cm；

2)判断改性后的PTFE粉末的润湿性，测试装置如图3所示：将经Ar等离子体处理的PTFE粉末缓慢填充至竖直的管底端装有砂芯片的透明管中，将装有改性后的粉末的透明管竖直放入装有水的容器中，使水的液面与砂芯片的顶面在同一水平面上，水渗透至粉末柱中，说明改性后的PTFE粉末为亲水的粉末；

采用高度法测定蒸馏水在装有改性后PTFE粉末的测试装置中的平衡液面差，测试装置如图1所示，其做法是：将30.0g改性后的PTFE粉末以步骤1)的方式缓慢填充至内径8mm的玻璃管(样品管)中，管底端装有一块既能阻止PTFE粉末渗透出来又能允许空气和水顺利通过的砂芯片，不断振动样品管直至粉末柱的高度不再下降，将粉末柱轻轻放入装有蒸馏水的容器中，使蒸馏水的液面与砂芯片的顶面在同一水平面上，做了5组平行实验，所得蒸馏水在粉末柱中上升的最大高度值分别为：69.5cm，69.4cm，69.7cm，69.1cm，69.6cm，取平均值得h＝69.46cm；

3)根据建立的液体与改性后粉末表面的接触角数学模型，计算改性后的粉末与水的接触角：

查文献可知未改性的PTFE与水之间的表面接触角为110°，即θ₀＝110°，故改性后的PTFE与水之间的表面接触角θ有得θ＝21.6°。

实施例4

测量经表面改性剂C改性后的氧化锆(ZrO₂)粉末与二甲苯之间的接触角：

1)采用高度法测定二甲苯在装有改性前ZrO₂粉末的测试装置中的平衡液面差，测试装置如图1所示，其做法是：将30.0g改性前的ZrO₂粉末(500-800目)缓慢填充至内径5mm的玻璃管(样品管)中，管底端装有一块既能阻止ZrO₂粉末渗透出来又能允许空气和二甲苯顺利通过的砂芯片，不断振动样品管直至粉末柱的高度不再下降，将粉末柱轻轻放入装有二甲苯的容器中，使二甲苯的液面与砂芯片的顶面在同一水平面上，做了5组平行实验，所得二甲苯在粉末柱中上升的最大高度值分别为：3.5cm，3.6cm，3.4cm，3.1cm，3.8cm，取平均值得h₀＝3.48cm；

2)判断改性后的ZrO₂粉末的润湿性，测试装置如图3所示：将经表面改性剂C改性后的ZrO₂粉末缓慢填充至竖直的管底端装有砂芯片的透明管中，将装有改性后的粉末的透明管竖直放入装有二甲苯的容器中，使二甲苯的液面与砂芯片的顶面在同一水平面上，二甲苯渗透至粉末柱中，说明二甲苯能润湿改性后的ZrO₂粉末；

采用压力法测定二甲苯在装有改性后的ZrO₂粉末的测试装置中的平衡液面差，测试装置如图2所示；其做法为：称取30.0g改性后的ZrO₂粉末以步骤1)同样的方式从开口处填充于底部有砂芯片的内径5mm的玻璃管(样品管)中，不断振动样品管直至粉末柱的高度不再下降，在粉末柱的顶端盖上砂芯片，再从样品管上端的开口处缓缓注入二甲苯，在压差的作用下，二甲苯透过砂芯片渗透至粉末柱中，当粉末柱中液面不再下降时，测定粉末柱中液面和粉末柱上端液体柱液面高度差，做了5组平行实验，高度差分别为：5.9cm，5.4cm，5.6cm，5.2cm，5.7cm，取平均值为h＝5.56cm；

3)根据建立的液体与改性后粉末表面的接触角数学模型，计算改性后的粉末与二甲苯的接触角：

查文献可知未改性的ZrO₂与二甲苯之间的表面接触角为70°，即θ₀＝70°，故改性后的ZrO₂与二甲苯之间的表面接触角θ有得θ＝56.6°。

以上实施例仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种粉末与液体的接触角测定方法，其特征在于：具体包括如下步骤：

1)选取已知粉末和液体；

2)采用高度法或压力法测定液体在装有已知粉末的测试装置中的平衡液面差；当液体能润湿已知粉末时，采用高度法进行测定；当液体不能润湿已知粉末时，采用压力法进行测定；

所述高度法是指将已知粉末缓慢填充至竖直的管底端装有多孔塞的透明管中，不断振动透明管直至粉末柱的高度不再下降，将装有粉末的透明管竖直放入装有液体的容器中，使容器中液体的液面和多孔塞的顶面在同一水平面上，测定液体在粉末柱中上升的最大高度h₀，为正数；

所述压力法是指将已知粉末缓慢填充至竖直的管底端装有多孔塞的透明管中，不断振动透明管直至粉末柱的高度不再下降，在粉末柱顶面盖上另一多孔塞，再从装粉末的透明管的上端开口处缓缓注入液体，在压差的作用下，液体渗透至粉末柱中，当粉末柱中液面不再下降时，测定粉末柱中液面和粉末柱上端液体柱液面高度差h₀，为负数；

3)判断液体对未知粉末的润湿性：将未知粉末缓慢填充至竖直的管底端装有多孔塞的透明管中，将装有未知粉末的透明管竖直放入装有液体的容器中，使液体的液面与多孔塞的顶面在同一水平面上，若液体能渗入粉末柱，则液体能够润湿粉末，反之则不能润湿；

4)采用高度法或压力法测定液体在装有未知粉末的测试装置中的平衡液面差；当液体能够润湿未知粉末时，采用高度法进行测定；反之，则采用压力法进行测定；所述高度法除了采用未知粉末代替已知粉末，其它步骤与步骤2)的高度法相同，所述压力法除了采用未知粉末代替已知粉末，其它步骤与步骤2)的压力法相同；所述高度法测定的液体在透明管中上升的最大高度为h，所述压力法测定的液面高度差h；

5)建立液体与粉末表面的接触角数学模型，计算未知粉末与液体的接触角：

$cos\mathrm{\θ}=\frac{h}{h_0}{\mathrm{cos\θ}}_0$

式中：θ为未知粉末和液体之间的接触角；θ₀为已知粉末和液体之间的接触角；h为液体在装有未知粉末的测试装置中的平衡液面差，h₀为液体在装有已知粉末的测试装置中的平衡液面差。

2.根据权利要求1所述粉末与液体的接触角测定方法，其特征在于：步骤3)所述未知粉末与步骤1)所述已知粉末的粒径相同或相似，所述相似是指未知粉末的粒径为已知粉末粒径±10％的已知粉末粒径。

3.根据权利要求2所述粉末与液体的接触角测定方法，其特征在于：所述相似是指未知粉末的粒径为已知粉末粒径±1％的已知粉末粒径。

4.根据权利要求1所述粉末与液体的接触角测定方法，其特征在于：步骤3)所述未知粉末与步骤1)所述已知粉末的密度相同或相似，所述相似是指未知粉末的粒径为已知粉末密度±10％的已知粉末密度。

5.根据权利要求4所述粉末与液体的接触角测定方法，其特征在于：所述相似是指未知粉末的粒径为已知粉末密度±1％的已知粉末密度。

6.根据权利要求1所述粉末与液体的接触角测定方法，其特征在于：步骤1)所述已知粉末为液体能够润湿的粉末。

7.根据权利要求1所述粉末与液体的接触角测定方法，其特征在于：

步骤2)所述多孔塞为既能阻止粉末渗透出来又能允许空气和液体顺利通过的多孔塞；

步骤1)～4)所述液体为水。

8.根据权利要求1所述粉末与液体的接触角测定方法，其特征在于：步骤3)所述未知粉末为将已知粉末进行改性的粉末。

9.根据权利要求8所述粉末与液体的接触角测定方法，其特征在于：所述改性是指对亲水性粉末进行亲油改性，亲油性粉末进行亲水性改性。